Modele de projet_ver_1.5
112
1 Etude de la Chaudière lit fluidisé circulant à vapeur/thermique/biomasse à Alteo Ltd Date : 24/06/2015 Fait par : Mons. Bhoyrow Prashan Destiné à : Mons. Kisto UNIVERSITÉ DES MASCAREIGNES (UDM) Département GEII
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Etude de la Chaudière lit fluidisé
circulant à vapeur/thermique/biomasse
à Alteo Ltd
Date : 24/06/2015
Fait par : Mons. Bhoyrow Prashan
Destiné à : Mons. Kisto
UNIVERSITÉ DES MASCAREIGNES (UDM)
Département GEII
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3
Sommaire
REMERCIEMENTS : ................................................................................................................ 8
Liste des tableaux ....................................................................................................................... 9
Introduction: ............................................................................................................................. 10
Recherche théorique ; .............................................................................................................. 11
Objectifs : ................................................................................................................................. 11
Qu'est ce que la vapeur ? .......................................................................................................... 11
Réalisons l'expérience de la bouilloire : .................................................................................. 11
Que se passe-t-il : ..................................................................................................................... 11
Quels sont les avantages de la vapeur ? ................................................................................... 12
Pourquoi utilise-t-on la vapeur: ............................................................................................... 12
La vapeur a-t-elle de l’avenir ? ................................................................................................ 13
Conclusion de la vapeur. .......................................................................................................... 13
Circuit d'eau et de vapeur ......................................................................................................... 13
Première transformation........................................................................................................... 13
Deuxième transformation......................................................................................................... 13
Troisième transformation ......................................................................................................... 14
Quatrième transformation ........................................................................................................ 14
Circuit d'eau de refroidissement .............................................................................................. 14
Cycle thermodynamique d’une centrale thermique à vapeur .................................................. 14
Diagramme de Mollier ............................................................................................................. 14
Définition de la combustion ..................................................................................................... 15
Détermination du rendement de la turbine............................................................................... 18
Détermination du rendement isentropique de la turbine HP .................................................... 18
Enthalpie de l'eau : ................................................................................................................... 19
4
Que se passe-t-il ensuite? ......................................................................................................... 20
Enthalpie de vaporisation ou chaleur latente. .......................................................................... 20
Enthalpie de la vapeur saturée. ................................................................................................ 20
Pression de la vapeur ............................................................................................................... 20
Récapitulatif: ............................................................................................................................ 20
La circulation et la séparation eau-vapeur. .............................................................................. 21
Principe de la circulation naturelle. ......................................................................................... 21
Le productible d'un projet de chaudière biomasse ................................................................... 22
Les principales caractéristiques sont : ...................................................................................... 22
La composition chimique élémentaire du combustible de la masse anhydre et humide ; ....... 22
Le taux d'humidité ; ................................................................................................................. 22
Le taux de cendres et de valeurs volatiles ; .............................................................................. 22
La granulométrie ; .................................................................................................................... 22
La résistance mécanique ; ........................................................................................................ 22
La masse volumique ; .............................................................................................................. 22
Le pouvoir calorifique.............................................................................................................. 22
Comment les caractéristiques de la biomasse influencent-elles le productible d'une chaudière
? ................................................................................................................................................ 22
Comment les caractéristiques de la biomasse peuvent-elles être connues ? ............................ 23
Les caractéristiques physico-chimiques sont des propriétés intrinsèques du combustible. ..... 23
Chaudière 1P (180 bar) ............................................................................................................ 30
Chaudière 2P (180 bar et 15 bar) ............................................................................................. 31
Le cycle TGV ........................................................................................................................... 35
La cogénération ........................................................................................................................ 36
Le repowering .......................................................................................................................... 37
Compétitivité des fabricants de chaudière ............................................................................... 38
1. Minimiser les surfaces d’échange ........................................................................................ 38
5
Choisir les matériaux les mieux adaptés aux gammes de températures et de pressions
rencontrées ............................................................................................................................... 39
3. Choisir au mieux les marges de sécurité .............................................................................. 39
L'eau de la chaudière: But et maintien des caractéristiques chimiques des eaux. ................... 39
Corrosion des parties en acier .................................................................................................. 40
Corrosion des parties en alliage cuivreux ................................................................................ 40
Formation de dépôts à la surface des tubes vaporisateurs et des plaques tubulaires. .............. 40
Primage. ................................................................................................................................... 40
Terminologie et unités. ............................................................................................................ 41
Le pH (potentiel hydrogène) .................................................................................................... 41
La dureté (titre hydrotimétrique TH) ....................................................................................... 41
Eau alimentaire. ....................................................................................................................... 41
Dureté ....................................................................................................................................... 41
Oxygène dissous ...................................................................................................................... 41
Fer et cuivre ............................................................................................................................. 42
Eau de la chaudière .................................................................................................................. 42
Alcalinité .................................................................................................................................. 42
Phosphate ................................................................................................................................. 42
Salinité totale ........................................................................................................................... 43
Soude libre ............................................................................................................................... 43
Silice ........................................................................................................................................ 43
Taux de purge de déconcentration ........................................................................................... 43
Contrôle des caractéristiques des eaux .................................................................................... 44
Fréquence des contrôles ........................................................................................................... 44
Contrôle à effectuer.................................................................................................................. 44
Prélèvement des échantillons d'eau .......................................................................................... 44
Caractéristiques de l'eau alimentaire et de l'eau de chaudière ................................................. 44
6
Formation de couches de protection ........................................................................................ 45
Film de magnétite .................................................................................................................... 46
Dans le cas des eaux très pures et exemptes d'oxygène ........................................................... 46
Le dégazage thermique ............................................................................................................ 46
Eau dégazée ............................................................................................................................. 47
le dégazage ............................................................................................................................... 47
Loi de HENRY ........................................................................................................................ 47
Loi de DALTON ...................................................................................................................... 47
Principe .................................................................................................................................... 47
a) Préchauffage et dispersion, .................................................................................................. 47
La combustion et le rendement. ............................................................................................... 48
Le combustible ......................................................................................................................... 49
Composition physique ............................................................................................................. 49
Composition chimique ............................................................................................................. 49
La consommation ..................................................................................................................... 53
Notion de réglage de l'air comburant. ...................................................................................... 59
Notion de perte et de rendement .............................................................................................. 60
L'énergie d'activation ............................................................................................................... 60
Types de combustion : ............................................................................................................. 60
Produits de combustion: ........................................................................................................... 61
Les résidus gazeux ou fumées: ................................................................................................ 61
Estimation de la quantité de particules solides en suspension dans les fumées: ..................... 62
Combustion neutre ou stoechiométrique: ................................................................................ 63
Calcul des caractéristiques de la combustion neutre du combustible: ..................................... 64
Etude de Chaudière Alteo ltd. ................................................................................................. 69
FCB « fluidized bed combustion boiler« ................................................................................. 69
Etude dans quel type de Chaudière. ......................................................................................... 76
7
Cogénération ............................................................................................................................ 77
Recommandation ..................................................................................................................... 79
La maintenance ........................................................................................................................ 80
Ramonage ................................................................................................................................ 80
Récupérateurs:.......................................................................................................................... 80
Travail des pompes. ................................................................................................................. 81
Travail de la pompe alimentaire 𝑾𝑷𝒂. ................................................................................... 81
Simulation du fonctionnement. ................................................................................................ 81
Conclusion ............................................................................................................................... 87
Référence ................................................................................................................................. 89
Annexe I ................................................................................................................................. 112
Annexe II ............................................................................................................................... 112
Annexe III .............................................................................................................................. 112
Annexe IV .............................................................................................................................. 112
8
REMERCIEMENTS :
Avant tout développement sur cette expérience professionnelle, il apparaît opportun de commencer ce
rapport de stage et de projet par des remerciements, à ceux qui m’ont beaucoup appris au cours de ce
stage, et même à ceux qui ont eu la gentillesse de faire de ce stage un moment très profitable.
Aussi, je remercie Mr Arvind Makoona, mon maître de stage qui m’a formé et accompagné tout au
long de cette expérience professionnelle avec beaucoup de patience et de pédagogie. Enfin, je
remercie l’ensemble des employés pour les conseils qu’ils ont pu me prodiguer au cours de ces deux
mois. Je tiens tout d’abord à exprimer ma gratitude à l’ensemble des personnes qui m’ont permis
d’effectuer ce stage. Sans leur soutien ce rapport n’aurait pas pu voir le jour.
Je souhaite particulièrement remercier certaines personnes : Mr Jimmy Francoise, Mr Rajiv Rawoah,
Mr Didier Bernard, Mr J.M Hurrydoss, Mr Stephane Bonnefemme, Mr Sendy Arnallon, Mr Youvraj
Hurrydoss, Mr Avinash Ramkissoon, et Ashvin Caulachand.
Un grand merci à Monsieur Julien Fayolle, Ingénieur responsable du département instrumentation, et
à Monsieur Alan Brunette, responsable du même département. En effet je les remercie pour
l’excellent accueil qu’ils m’ont réservé mais aussi pour leurs conseils et leur sympathie tout au long
de ce période de stage.
Sans oublier, je voudrai remercier Monsieur Mangesh Kumar Demkah, Mr Eric Henriette, et Mr D.
Rughoo chef du département électrique à l’université et aussi un merci très respectueux à Monsieur
Kisto, tuteur de rapport de stage, de sa patience et ses conseils précieux. Un grand merci à ma famille
qui m’a toujours soutenue tout le long de mon parcours.
9
Liste des tableaux
Figure 1 chaleur massique de l'eau (liquide) ........................................................................................ 12
Figure 2 massique ................................................................................................................................. 12
Figure 3 Diagramme de Mollier ............................................................................................................ 15
Figure 4 Schéma de circuit air .............................................................................................................. 15
Figure 5 Schéma synaptique dé la centrale thermique ......................................................................... 16
Figure 6 Schema synatique de la centrale ............................................................................................. 16
Figure 7 Resultats recapitulatifs de l'enthapie ...................................................................................... 17
Figure 8 Diagramme Ts- centrale thermique ........................................................................................ 18
Figure 9 caracteristiques de la turbine HP ............................................................................................ 19
Figure 10 diagramme d'un chaudiere .................................................................................................... 23
Figure 11 Exemple de cycle TGV à un seul niveau de pression .......................................................... 24
Figure 12 Chaudière à circulation naturelle .......................................................................................... 25
Figure 13 Évolution de la densité de l’eau liquide et vapeur avec la pression de saturation ................ 26
Figure 14 Chaudière à circulation forcée sans ballon de démarrage .................................................... 27
Figure 15 Chaudière à circulation assistée ........................................................................................... 27
Figure 16 Chaudière à circulation forcée avec ballon de démarrage .................................................... 28
Figure 17 Évolution des températures dans une chaudière à contre-courant........................................ 29
Figure 18 Chaudière à 1 niveau de pression ......................................................................................... 31
Figure 19 Chaudière à 2 niveaux de pression ....................................................................................... 32
Figure 20 Évolution de la température de l'eau dans la chaudière en fonction de la pression .............. 33
Figure 21 Géométrie de la chaudière de récupération .......................................................................... 34
Figure 22 cycle combiné ....................................................................................................................... 35
Figure 23 production combinée chaleur-force ...................................................................................... 36
Figure 24 cogénération ......................................................................................................................... 36
Figure 25 repowering ............................................................................................................................ 37
Figure 26 évaluer la consommation ...................................................................................................... 54
Figure 27 évaluer la consommation deuxieme methode ...................................................................... 57
Figure 28 tableau de combustible ......................................................................................................... 67
Figure 29 tableau masse volumique des fumees humides et sechedans les conditions normales. ....... 68
Figure 30 surchauffeur .......................................................................................................................... 72
Figure 31 Réservoir inférieur................................................................................................................ 74
Figure 32 schema de la centrale thermique pour les production d'energie ........................................... 78
Figure 33 circuit eau- vapeur ................................................................................................................ 82
Figure 34 schema variation de vitresse ................................................................................................. 84
Figure 35 paramétrage de vitesse ......................................................................................................... 86
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Introduction:
La production de vapeur occupe une place essentielle dans les entreprises sucrières car la vapeur est
un moyen facile de transporter de très grandes quantités d’énergie. L'énergie de la vapeur est utilisée
dans tout le processus de transformation, de fabrication dans les entreprises agricole alimentaires
comme la Compagnie Sucrière. Cependant les centrales industrielles de production de vapeur peuvent
être relativement complexes. Les étudier très en détail (schéma, constitution et calcul des divers
constitutifs, régulation, traitement des eaux combustibles etc.) sortirait du cadre de ce présent exposé.
En conséquence, nous nous limiterons ici à l'étude du rendement de la chaudière proprement dit et de
tous les paramètres pouvant influés sur ce dernier. Ainsi nous adoptons la démarche suivante à savoir.
Nous décrierons la structure elle-même et de la nécessité de produire de la vapeur en premier lieu
ensuite nous détaillerons les éléments constitutifs de la chaudière en deuxième lieu en troisième lieu,
nous parlerons de la vapeur en expliquant les différentes énergies mises en jeu quatrièmement; nous
expliquerons le phénomène de la séparation eau-vapeur au niveau de la chaudière dans la cinquième,
partie de ce document, nous parlerons de l'eau de la chaudière et de ses caractéristiques optimales en
plus une étude de la combustion et du rendement sera effectué et sans oublier de mentionner les
recommandations et le récupérateur de chaleur en dernier lieu. Nous expliquerons aussi de la
Recherche théorique et comparaison de nouveau type de chaudière à vapeur. Ce mémoire étudie le
pilotage en temps réel de la centrale thermique d’Alteo ltd pour l’amélioration du rendement et de la
consommation spécifique suivant la variation de la température, la pression et implicitement de
l’enthalpie. L’obtention du bon rendement est à partir de la bonne température et pression dans des
points critiques du cycle de production, suivant le besoin thermique pour produire de l’électricité
fournie au réseau. Donc, pour mieux cerner le sujet on a utilisé le générateur de système expert G2
dont le but consiste à générer une base de connaissances.
11
Recherche théorique ;
Alteo est une entreprise innovante spécialisée dans le diagnostic énergétique, la conception et la mise
en œuvre d’installations visant à réduire les consommations thermiques des procédés industriels.
Dans le cadre d’une méthode de gestion de l’énergie responsable et en amélioration continue, Alteo
souhaite proposer à ses clients un outil permettant de simuler différents scénarii de conduite de leur
chaîne énergétique, en fonction de différents paramètres ajustables ou fatals, et d’en adopter le
meilleur.
La mission consiste à identifier les différents équipements énergétiques essentiels, de proposer une
modélisation standardisée de leur fonctionnement afin de pouvoir les appliquer facilement pour toutes
les usines. Ainsi par liaison de ces modèles d’équipements énergétiques, un modèle de résolution
pourra être appliqué afin de simuler un régime de fonctionnement en fonction des paramètres du jour.
L’étude pourra aboutir sur la recherche d’une méthode d’optimisation automatique de la gestion
énergétique pour une chaudière à vapeur.
Objectifs :
Identifier les équipements thermiques usuels des industries types diagnostiquées par l’entreprise Alteo.
Caractériser chacun de ces équipements : Technologies, Principes de fonctionnement, Formules régissant le fonctionnement.
Les avantages et les inconvenances d’une chaudière a vapeur et sont fonctionnement.
Les sécurités d’une chaudière.
Les types de capteur et fonctions.
Les valves automatiques et les valves manuelles.
Importance
Qu'est ce que la vapeur ?
Réalisons l'expérience de la bouilloire :
Une bouilloire contenant de l'eau est chauffée jusqu'à ce que l'eau commence à bouillir: le couvercle
commence à se soulever puis retomber d'une façon répétée s'il n'est pas en bonne place et la vapeur
s'échappe par le bec.
Que se passe-t-il :
Une transmission de chaleur s'effectue entre la source de chaleur et l'eau entraînant une
augmentation de la température de l'eau. On dira en ce moment que l'enthalpie (énergie totale) de
l'eau augmente et ce, jusqu'à ce que l'eau commence à bouillir Nous parlerons « d'eau saturée »à ce
stade si l'eau ne peut plus absorber de I'ênergie sans changer d'état Nous parlons à ce moment là «
d'enthalpie spécifique ... de l'eau saturée» (hr~ (nous y reviendrons plus tard). Si nous continuons à
chauffer l'eau la transmission de chaleur se poursuit et on assiste à un changement d'état de cette
dernière qui se transforme en vapeur d'eau communément appelée. « vapeur », En laissant
suffisamment de temps la bouilloire sur la source de chaleur, toute l'eau sera convertie en vapeur.
On parlera « d'enthalpie spécifique de vaporisation» (hfg)' Donc on constate que l'énergie totale
nécessaire à amener l'eau en vapeur est hg = b, + h rg.
12
Quels sont les avantages de la vapeur ?
La vapeur est développée et utilisée depuis plus de 150 ans, les chaudières à vapeur sont simples à
installer, la température de sortie est facile à maîtriser (suivant la pression) et très stable.
De très nombreux combustibles peuvent être utilisés comme par exemple dans une scierie les déchets
de bois, dans les pays produisant de la canne à sucre on peut utiliser les chutes etc. , donc suivant le
milieu (type d’industrie ou pays), le combustible pour la vapeur est facile à trouver.
Chaudière Atlantique Thermique (échelle 1/5e)
Pour éviter les effets de corrosion et ainsi éviter une explosion, l’eau doit d’abord subir un traitement
spécifique : elle doit être déminéralisée. Après son passage dans le moteur, elle peut être récupérée
dans un condenseur (qui refroidit la vapeur) .
D’après Atlantique Thermique, la durée de vie d’une chaudière à vapeur est de 30 ans environ, et
requiert peu d’entretien : une vérification visuelle tous les ans, et un démontage total tout les 10 ans.
Pourquoi utilise-t-on la vapeur:
La chaleur massique (symbole c) qu'il convient d'appeler capacité thermique massique est
déterminée par la quantité d'énergie à apporter par échange thermique pour élever d'un degré la
température de l'unité de masse d'une substance.
La chaleur massique de l'eau (liquide) est de 4,186 kJ/kgOC. C'est-à-dire à dire qu'il faut une
enthalpie de 4,186 kJ pour relever de 1°C, 1 kg d'eau.
Figure 1 chaleur massique de l'eau (liquide)
La quantité d'énergie nécessaire pour élever la température d'un kg d'eau de 1°C est de 4, 186kJ.
Nous voyons de l'importance de la chaleur massique pour le calcul de l'enthalpie. Pour
l'économiseur.
Figure 2 massique
13
La vapeur a-t-elle de l’avenir ?
Oui bien sûr, même si la vapeur n’a plus les mêmes utilités qu’à ses débuts (pour une locomotive par
exemple), elle sera toujours d’actualité dans les entreprises qui l’utilisent déjà, et en projet pour
d’autres : car, si on choisit bien son combustible, la vapeur est une énergie propre et durable.
Pour ce qui est des chaudières à vapeur, les projets sont des chaudières à meilleur rendement, avec
encore plus de variétés de combustibles, et aussi de taille plus importante. Dans un monde où le
pétrole va se faire rare, plusieurs chercheurs vont se replonger dans l’étude de système à vapeur, et les
manifestations telles que le Forum « A toute vapeur ! » vont faire prendre conscience au grand public
que la vapeur n’est pas une technologie obsolète qui n’est bonne qu’à faire avancer les locomotives du
début du siècle dernier.
Conclusion de la vapeur.
Pour conclure nous pouvons dire que la vapeur reste une matière très importante au fonctionnement
de l'industrie dans les Landes. Son utilisation étant indispensable, nous avons les différents moyens,
qui sont en cours de développement, rendant sa génération plus respectueuse de l'environnement.
Circuit d'eau et de vapeur
C'est le circuit principal et tous les autres gravitent autour de lui, et sont à son service.
Première transformation
L'eau arrivant du condenseur et celle d’appoint ou après condensation se déverse dans la bâche
alimentaire, elle est comprimée successivement par les pompes; basse pression et haute pression et est
réchauffée par les réchauffeurs Basse et Haute Pression 𝑹𝑩𝑷 et 𝑹𝑯𝑷 au moyen de la vapeur de
soutirage, elle passe enfin à l'économiseur où les gaz de combustion élèvent encore sa température.
Avant son introduction dans la chaudière au début de la transformation, l'eau était à 33℃ et une
pression absolue de 0.05 𝑏𝑎𝑟 à la fin elle sera de 282℃ et 160 𝑏𝑎𝑟 environ.
Deuxième transformation
Elle s'effectue dans la chaudière, l'eau chaude comprimée arrive au réservoir supérieur, elle parcourt
les parois tubulaires qui tapissent la chambre de combustion à travers ces tubes, les gaz de combustion
qui ont une température de 1300℃ fournissent à l'eau d'abord un complément de chaleur de
vaporisation. À la partie supérieure de réservoir où recueille de la vapeur saturée humide, celle-ci est
divisée par trois faisceaux tubulaires en série.
La vapeur se sèche dans le premier ; La surchauffe s'effectue dans les faisceaux suivants. Pendant
cette transformation, la pression ne change pas, tandis que la température atteint son maximum a
savoir 540℃.
14
Troisième transformation
La vapeur surchauffée arrive à la partie Haute Pression 𝑯𝑷 où elle se détend jusqu’à 40 𝑏𝑎𝑟 et où elle
se refroidi jusqu’à 357℃, elle fournit donc un travail moteur puis elle retourne dans le foyer où elle
circule dans les faisceaux de resurchauffe.
La pression ne varie pas mais la température atteint pour la deuxième fois son maximum soit 540℃,
la vapeur revient à la turbine pour se détendre et se refroidir dans le corps Moyenne Pression 𝑴𝑷
ensuite Basse Pression 𝑩𝑷 en fournissant à nouveau un travail moteur.
Quatrième transformation
Elle s'effectue dans le condenseur, la condensation de la vapeur sous vide à 0.05 𝑏𝑎𝑟 à une
température de 33℃ environ. L'eau recueillie est froide, elle recommence le cycle.
Circuit d'eau de refroidissement
Pour condenser la vapeur il faut la refroidir et abaisser sa pression, ces deux opérations s'effectuent
dans le condenseur, le refroidissement est assuré par de l'eau froide circulant dans un circuit
indépendant du circuit eau – vapeur.
Cycle thermodynamique d’une centrale thermique à vapeur
Un cycle est définit lorsqu'on connaît les caractéristiques de l'eau et de sa vapeur (pression,
température, enthalpie, humidité, titre, entropie,..) en tous points.
On peut donc représenter un cycle par des diagrammes à deux coordonnées dont le plus courant est le
diagramme température entropie (T-S) [Andr1][Rolf].
La centrale de CAP- DJINET présente une surchauffe avant le corps 𝑯𝑷 de la turbine et une
resurchauffe entre la turbine 𝑯𝑷 et 𝑴𝑷 avec six (06) soutirages dont 1 dans le corps 𝑯𝑷, 2 dans le
corps 𝑴𝑷 et 3 dans le corps 𝑩𝑷. Cette installation fonctionne suivant le cycle de Rankine-Hirn ou
bien Rankine à resurchauffe, avec soutirage pour le réchauffement d'eau d'alimentation.
Diagramme de Mollier
Le diagramme de Mollier nous permet de présenter la chute d'enthalpie et déduire le rendement et la
puissance d'une turbine.
Le point représentatif 𝑀1(𝐹𝑖𝑔.2), de l'état de la vapeur à l'entrée de la turbine est défini sur le
diagramme de Mollier par l'intersection de l'isobare 𝑷, et de l'isotherme 𝑻 (de la source chaude). Le
point représentatif 𝑀2 de l'état de vapeur à la sortie de la turbine est situé sur l'isobare 𝑷 et l'isotherme
𝑻 (de la source froide). Une détente caractérisée par entropie constante, la chute d'enthalpie dans la
turbine qui est représentée par le segment [𝑀1 𝑀2] sur le diagramme de Mollier est mise à disposition
et serait entièrement transformée en énergie mécanique, et aux pertes non thermodynamiques (fuites,
frottement mécaniques).
En fait il y a une dégradation de l'énergie thermique dans la turbine, l'entropie du fluide croit, et la position, 𝑀2 ̀ correspond à une énergie effectivement transformée (𝑀1𝑀2̀).
15
Figure 3 Diagramme de Mollier
Définition de la combustion
La combustion est l’oxydation des éléments inflammables du combustible par l’oxygène de l’air qui
porte le nom de comburant. C’est une réaction exothermique, c’est-à-dire provoque un dégagement de
chaleur. La combustion est dite complète lorsque tous les éléments inflammables ont été oxydés. Dans
ce cas toute la chaleur qui a été obtenue représente le pouvoir calorifique (nombre de kilocalorie par
kilogramme qu’ils sont capables de fournir en brulant du combustible (gaz naturel, fuel-oil) par
(𝑘𝑐𝑎𝑙/𝑘𝑔) de combustible.
Figure 4 Schéma de circuit air
1. Ballon de la chaudière 10. La vapeur entrante à la turbine HP.
2. Colonne de descente. 11. La vapeur entrante à la turbine MP.
3. Tube d’écrans. 12. La vapeur sortante de la turbine HP.
4. Evaporateur. 13. Soutirage de la turbine MP.
5. Gaine d’air pour les bruleurs. 14. La gaine d’aspiration.
6. Ventilateur de soufflage. 15. Fumées sortantes de la cheminée.
7. Préchauffeur de vapeur. A. Les resurchauffeurs.
8. Ventilateur de recyclage. B. Les surchauffeurs.
9. Le réchauffeur d’air rotatif. C. Le générateur de vapeur.
16
Figure 5 Schéma synaptique dé la centrale thermique
Figure 6 Schema synatique de la centrale
17
Figure 7 Resultats recapitulatifs de l'enthapie
18
Le diagramme T-S est le type de diagramme le plus utilisé, généralement, pour analyser le transfert
d’énergie du cycle d’un système. Et ceci pour la seule raison que le travail fourni ou bien reçu dans le
système, et la quantité de chaleur reçue ou cédée peuvent être visualisé dans ce diagramme.[Doe]
Figure 8 Diagramme Ts- centrale thermique
Détermination du rendement de la turbine
La turbine est une machine à une ligne d’arbre composée de corps 𝑯𝑷 (Haute Pression), 𝑴𝑷
(moyenne Pression), et 𝑩𝑷 (Basse Pression) qui servent à convertir un courant de vapeur (énergie
thermique) provenant du générateur de vapeur en énergie mécanique qui sert à tourner l’arbre et à
entrainer l’alternateur. Ces corps sont By-passés et permettent un conditionnement de la vapeur.
Détermination du rendement isentropique de la turbine HP
Le rendement isentropique de détente est en général de l’ordre de 85% il dépend évidemment de la
qualité de la vapeur détendue : vapeur sèche ou vapeur humide avec une quantité de liquide plus ou
moins importante. Pour un titre en vapeur faible en sortie de turbine (75% à 80% par exemple), les
irréversibilités seront plus importantes, donc le rendement isentropique sera plus faible, que pour un
titre plus élevé. On note également que plus les pertes de charge sont importantes, plus le rendement
diminue. Ceci s’explique par la diminution de la chute enthalpique aux bornes de la turbine et d’une
chute relativement moindre aux bornes du générateur de vapeur.
19
Figure 9 caracteristiques de la turbine HP
Enthalpie de l'eau :
L'enthalpie de l'eau est l'augmentation de l'énergie totale obtenue par transmission de chaleur qui
entraîne l'élévation de la température.
Lors de la mise en route de la chaudière, l'eau possède déjà une enthalpie initiale appelée« enthalpie
de l'~al.l ».
En réalité, on appelle «enthalpie de l'eau saturée» (hg) la somme de l'enthalpie initiale et de
l'augmentation de l'enthalpie sous l'effet de la transmission de chaleur li jusqu'au moment de
l'ébullition (où l'eau est appelée « eau saturée »).
hl =hi+'/ enthalpie avec hi =enthalpie initiale de l'eau
Prenons un exemple:Supposons que la température de l'eau dans la chaudière avant d'être chauffée est
de 10°C et que l'eau commence à bouillir à 100°C. Alors l'élévation de température été dl 90°C. Ce
qui entraîne que :
L'augmentation de l'enthalpie est de: 90 * 4.l86kJ= 376,740kJ pour élever la température de 100e à
loooe.
Si la chaudière contient 19.000kg d'eau (IO.OOOlitres), l'augmentation de l'enthalpie nécessaire pour
la porter comme l'ébullition uoo-c: sera de :
10.000*376,740=376740kJ.
Notons bien que cette augmentation de l'enthalpie n'est pas l'enthalpie de la vapeur saturée mais
simplement l'augmentation d'enthalpie obtenue en élevant la température de 100e à 100oe.
L'enthalpie de l'eau saturée a une température de 1000e et de 4l9kJ par kg d'eau
(table de vapeur) Pour 10.000kg d'eau saturée, on aura 4.l90.000kJ. Ainsi l'économie de combustible
passe d'abord pour augmenter la température de l'eau alimentaire qui doit être à
Pour notre exemple: si l'eau était à 400e alors nous aurrons besoin de :
60(différence de température)*1000(masse)*4,186kJ=2.6l1.650kJ pour porter
1000kJ d'eau à l'ébullition par rapport au 100e nous aurions utilisé 1.255.500 de mours.
Franchissons maintenant un autre etape. Nous sommes au moment où l'eau de la chaudière est en
ébullition (eau saturée).
20
Que se passe-t-il ensuite?
Enthalpie de vaporisation ou chaleur latente.
Sous la pression atmosphérique, l'eau boue à loooe tout en continuant de recevoir de
l'énergie. De même à 10 bars, l'eau bouillante reçoit de l'énergie à une température constante
de l79,9°e.
Dans les deux cas, l'énergie emmagasinée ne prend pas la forme d'énergie sensible mais sert
uniquement à transformer l'eau en vapeur. C'est ce qu'on appelle la chaleur latente de
vaporisation ou enthalpie de vaporisation. L'enthalpie qui transforme un liquide en vapeur
sans changement de température est appelée « enthalpie de vaporisation ».
Enthalpie de la vapeur saturée.
1kg de vapeur produit dans une chaudière contient donc deux types d'énergie calorifique :
l'enthalpie de l'eau saturée absorbée pour atteindre sa température d'ébullition et l'enthalpie de
vaporisation nécessaire au changement d'état (liquide vapeur).
Enthalpie de la vapeur saturée = enthalpie de l'eau saturée + enthalpie de vaporisation.
Pression de la vapeur
La pression atmosphérique est estimée à 1,01325 bar absolu. Revenons à la vapeur qui
s'échappe du bec de la bouilloire (et du bec imaginaire de notre chaudière). Elle est en contact
avec l'atmosphère d'où à une pression de 1,01325 bar absolu de même que la température qui
est à la température de l'eau saturée (en ébullition) ~ 100°C.
Récapitulatif:
pression à l'intérieur et à l'extérieur de la chaudière = 1,013 bar absolu pression de la vapeur
1,013 bar absolu temps de l'eau saturée dans la chaudière = 100°C. temps de la vapeur =
100°C
Cet exemple nous permet d'expliquer ce qui se passe à la pression atmosphérique mais en
réalité la chaudière est une enceinte fermée. Donc en produisant de la vapeur, celle-ci doit être stockée et comprimée ce qui entraîne une augmentation de la pression. Cette augmentation de la pression exercée par la vapeur et l'effet
de cette pression toujours croissante sur la surfacesont suivis de certaines conséquences.
Pabs =Prel + Patm.
Pabs : pression absolue;
Prel : pression relative ou effective ou manométrique
Patm : pression atmosphérique.
21
La circulation et la séparation eau-vapeur.
Conditions dans lesquelles doit s'effectuer la circulation de l'eau
a- A toutes les allures de vaporisation, que la chaudière soit à circulation naturelle, ou forcée, il doit
circuler dans les différents tubes chauffés une quantité d'eau suffisante pour maintenir le tube à une
température voisine de celle de saturation.
La vitesse de circulation doit, en outre, être suffisante (surtout dans -Ies tubes inclinés) pour arracher
les bulles de vapeur qui se forment le long des parois.
b- Les produits chimiques ajoutés à l'eau doivent se distribuer uniformément dans les différents tubes
PO~Ir léviter la formation de boues ou de dépôts dans certains tubes.
c- La température des différents tubes vaporisateurs doit rester uniforme durant les régimes perturbés
(mise en marche, arrêt) pour éviter que prennent naissance des tensions d'origine thermique, qui
pourraient devenir dangereuses dans les grandes unités.
Nous rappelons encore une fois que notre chaudière est à circulation naturelle.
Principe de la circulation naturelle.
La circulation naturelle est causée par la différence entre la densité de l'omulsion li d'eau et de vapeur
(différence hydrostatique) existant dans un tube chauffé, et celle de l'eau à température de saturation
se trouvant dans les tubes de retour ou d'alimentation. Elle permet:
• De transporter la chaleur entre le point où elle est apportée à l'émulsion et le point où la
vapeur est extraite par séparation eau-vapeur,
• De refroidir suffisamment le tube.
Photographies FP bois et description de leur activité vapeur Dans nos recherches sur la vapeur, dans le Lot et Garonne, nous avons trouvé peu d’applications de la
vapeur. Nous savons que la vapeur a été et est encore utilisée dans l’industrie alimentaire (conserverie
et séchage de pruneaux), mais nous n’avons pas trouvé d’interlocuteur à ce sujet.
22
Le productible d'un projet de chaudière biomasse
La quantité effective de chaleur ou d'électricité générée par une centrale fonctionnant sur le principe
de la combustion de biomasse dépend certes de la technologie retenue (rendement, débit minimal et
maximal en combustible, etc.) et des conditions d'exploitation (débit en combustible, taux de
disponibilité, arrêts, opérations de maintenance, etc.), mais plus simplement des caractéristiques
physico-chimiques du combustible consommé.
Les principales caractéristiques sont :
La composition chimique élémentaire du combustible de la masse anhydre et humide ;
Le taux d'humidité ;
Le taux de cendres et de valeurs volatiles ;
La granulométrie ;
La résistance mécanique ;
La masse volumique ;
Le pouvoir calorifique.
Comment les caractéristiques de la biomasse influencent-elles le productible d'une chaudière ?
Dans le cadre de l'évaluation du potentiel énergétique d'un combustible, et en première approche, la
puissance électrique d'une centrale de production d'électricité ou la puissance thermique d'une
chaudière fonctionnant à partir de la biomasse peut s'écrire :
Formule-Productible-Biomasse
Cette formule reflète les principaux facteurs ayant un impact sur la puissance électrique ou thermique
La technologie : rendement (η en %) ;
Les conditions d'exploitation : débit (Q) ;
Les caractéristiques du combustible : masse volumique de la bagasse (ρ), pouvoir calorifique
inférieur (PCI).
23
Ces caractéristiques dépendent bien évidemment des conditions de température et de pression, mais
également des autres caractéristiques physico-chimiques, comme le taux d'humidité.
Comment les caractéristiques de la biomasse peuvent-elles être connues ?
Les caractéristiques physico-chimiques sont des propriétés intrinsèques du combustible.
La nature du combustible (bagasse par exemple), n'est pas la seule à intervenir. On observe une
grande variation des propriétés en fonction du taux d'humidité, du taux de cendres, de l'essence, de la
granulométrie, etc. Certains modèles et base de données fournissent des propriétés statistiques
moyennes, qui sont utiles si on ne dispose pas d'échantillon.
Pour un échantillon de bois donné, en revanche, ces caractéristiques peuvent être testées, déterminées
et certifiées par de tests en laboratoire d'analyse. Ces tests sont soumis à des normes et des procédures
précises, définies par la règlementation ou par la profession, notamment sous l'impulsion de
l'ADEME, qu'il convient de respecter.
Ainsi, à titre d'exemple, le PCI peut être déterminé par calcul théorique, par lecture directe sur un
abaque ou par combustion dans une bombe calorimétrique.
Il existe deux grands groupes de chaudières : les chaudières de récupération qui permettent de
valoriser l’énergie thermique d’un fluide chaud qui doit être refroidi et les chaudières à combustion,
dans lesquelles un combustible est brûlé de manière à transférer l’énergie nécessaire.
Les chaudières à combustion sont conçues en fonction des caractéristiques du fluide caloporteur ou du
fluide à vaporiser, ainsi que de celles du combustible à brûler.
Les chaudières de récupération ont, elles aussi, des caractéristiques très variées, dictées par les
processus industriels auxquelles elles sont associées. Elles produisent soit de la vapeur de chauffe,
utilisée en d’autres points de l’installation qui nécessitent un apport de chaleur, soit de la vapeur
énergétique, dont la détente dans des turbines permet d’entraîner certaines machines, telles que des
compresseurs, des pompes ou alors des alternateurs connectés à un transformateur pour la production
Figure 10 diagramme d'un chaudiere
24
d’électricité.
Nous étudierons plus particulièrement les chaudières de récupération dans un cycle combiné
couramment appelé cycle TGV (turbine gaz/vapeur), illustré à la figure I-1. La chaleur contenue dans
l’échappement de la turbine à gaz (560°C-640°C) est utilisée par un cycle thermodynamique mettant
en œuvre une turbine à vapeur.
Ce type de centrale présente un rendement net actuellement proche de 55%. La technologie TGV
constitue un excellent moyen de production de l’électricité et est amenée à jouer un rôle important
dans les années futures.
Les chaudières de récupération peuvent être horizontales ou verticales. Nous nous intéresserons plus
particulièrement aux chaudières verticales construites par la société CMI (Seraing Belgique)
puisqu’elles vont servir au développement des différents exemples de ce travail.
: Exemple de cycle TGV à un seul niveau de pression Figure 11 Exemple de cycle TGV à un seul niveau de pression
25
Dans ces chaudières l’eau est réchauffée puis vaporisée et surchauffée dans des tubes horizontaux. Même s’il est possible de concevoir des cycles thermodynamiques basés sur différents fluides, les
chaudières classiques utilisent exclusivement de l’eau liquide qu’elles réchauffent jusqu’à la
température de saturation puis qu’elles vaporisent sous forme de vapeur saturée. Très généralement,
elles surchauffent ensuite cette vapeur, c’est-à-dire qu’elles en élèvent la température au-dessus de sa
température de saturation. La vapeur ainsi produite peut également constituer un fluide caloporteur ;
elle est alors générée à une pression telle que sa température de condensation corresponde au niveau
de température requis par les organes d’utilisations ; on ne la surchauffe que légèrement, uniquement
pour limiter les condensations parasites dans les conduites de transport et de distribution. Mais, plus généralement, cette vapeur est utilisée comme fluide énergétique, dans un cycle fermé de
production d’énergie. Dans ce cas, on cherche à optimiser les pressions et à obtenir les températures
de surchauffe les plus élevées possibles dans un contexte économique et technique raisonnable. Les
rendements des cycles énergétiques auxquels elles sont associées sont, en effet, des fonctions de ces
deux paramètres. 2 Les chaudières à circulation naturelle Dans les chaudières à circulation naturelle, la circulation du fluide dans l’évaporateur est assurée par
la différence de densité entre l’eau qui descend du ballon et le mélange eau vapeur qui remonte vers le
ballon (voir Figure I-2). La circulation naturelle est d’autant meilleure que la différence de hauteur
entre le ballon et les tubes est grande. Dans le ballon, il y a séparation des phases : la phase vapeur est
envoyée vers une éventuelle surchauffe tandis que l’eau à la base du ballon est renvoyée vers
l’évaporateur. La chaudière à un niveau de pression peut donc être divisée en trois zones bien distinctes :
L’économiseur : l’eau liquide est réchauffée jusqu’à la température d’approche qui se situe à
quelques degrés sous la saturation. Cette différence de température est une sécurité pour ne
pas avoir de vaporisation à l’intérieur de tubes ;
L’évaporateur : l’eau reprise à la base du ballon est partiellement vaporisée puis
renvoyée dans le ballon ;
Le surchauffeur : la vapeur est soutirée en haut du ballon et est surchauffée jusqu’à la
température de consigne. Généralement, la température à la sortie du
: Chaudière à circulation naturelle Figure 12 Chaudière à circulation naturelle
Pompe d’alimentation
ballon
Econo
Evapo
Surchauffeur
26
surchauffeur est régulée par une désurchauffe, ce qui permet un contrôle plus facile en cas
de modification des conditions de fonctionnement de la source de fluide chaud (par exemple
une turbine à gaz). La différence de densité entre les phases vapeur et liquide à saturation décroît quand la pression
augmente (voir Figure I-3). C’est pourquoi on ne rencontre pas de chaudière à circulation naturelle à
très haute pression (rarement au-delà de 145 bar).
Évolution de la densité de l’eau liquide et vapeur avec la pression de saturation
Figure 13 Évolution de la densité de l’eau liquide et vapeur avec la pression de saturation
Densité (kg/m³) du point de saturation
1000 Densité vapeur
900 Densité liquide
800
700
600
500
400
300
200
100
0
0 50 100 150 200 250
Pression (bar)
Les chaudières à circulation naturelle n’ayant pas de pompe de circulation à l’évaporateur, présentent
l’avantage d’une faible consommation électrique et de coûts de maintenance limités.
27
3 Les chaudières à circulation assistée Lorsque la pression de la vapeur augmente, le tirage naturel dans les tubes de l’évaporateur devient
insuffisant. Une pompe de circulation est alors introduite dans la boucle de vaporisation pour vaincre
les pertes de charge du mélange eau vapeur à déplacer (voir
Chaudière à circulation forcée sans ballon de démarrage Figure 14 Chaudière à circulation forcée sans ballon de démarrage
Pompe d’alimentation
Econo Evapo Surchauffeur C’est un schéma couramment rencontré pour des pressions comprises entre 100 et 180 bar. Pour des
pressions supérieures, on rencontrera des chaudières à circulation forcée.
Chaudière à circulation assistée Figure 15 Chaudière à circulation assistée
Pompe d’alimentation
ballon
Econo
Evapo
Pompe de
circulation Surchauffeur
28
4Les chaudières à circulation forcée Les chaudières les plus modernes peuvent être à vaporisation totale (once -through boiler en anglais):
elles ne comportent théoriquement plus de réservoir matérialisant la séparation eau vapeur (voir
Figure ) et sont constituées d’un grand nombre de tubes parallèles à l’intérieur desquels l’eau se
réchauffe, se vaporise, et se surchauffe en un seul passage. Une chaudière à circulation forcée diffère d’une chaudière classique, à circulation naturelle ou
assistée, de par le nombre d’éléments qui la composent. En effet, une chaudière classique comprend
un économiseur, un vaporiseur avec ballon de séparation et un surchauffeur. Dans une chaudière à
circulation forcée, on ne peut plus faire la différence entre l’économiseur et le vaporiseur, et s’il
subsiste un ballon de séparation, non seulement sa taille est fortement réduite, mais en plus, son utilité
est principalement limitée à la phase de démarrage de la chaudière, pendant laquelle l’eau soutirée à la
base du ballon est renvoyée vers le dégazeur, le surchauffeur n’étant opérationnel que lorsque le débit
de vapeur sortant du ballon est suffisant (voir Figure ). Chaudière à circulation forcée avec ballon de démarrage
Figure 16 Chaudière à circulation forcée avec ballon de démarrage
Pompe
d’alimentation
Econo
Evapo
ballon de
démarrage
Surchauffeur
29
5 Les chaudières dans un cycle TGV
Dans un cycle combiné, les chaudières de récupération doivent être conçues de manière à satisfaire à
plusieurs objectifs :
réduire les irréversibilités de transfert de chaleur,
accroître l’efficacité du transfert de chaleur,
minimiser la perte par enthalpie restante des fumées rejetées à la cheminée,
permettre le réglage de la température de sortie de la vapeur surchauffée à l’entrée de la
turbine à vapeur,
pouvoir être rapidement démarrée pour ne pas perturber le cycle combiné,
présenter une perte de charge limitée côté fumée pour limiter la contre-pression à
l’échappement de la turbine à gaz, ce qui en réduirait le rendement. Afin de rencontrer ces objectifs, certaines méthodes sont systématiquement utilisées :
déterminer les niveaux de pression et organiser la circulation générale de façon à minimiser
la différence de température entre les fumées et l’eau/vapeur à réchauffer,
adopter pour chaque échangeur la circulation à contre-courant, utiliser
un réchauffeur d’air lorsque le cycle le permet (pas de TG)
Considérons une chaudière de récupération composée d’un économiseur, d’un évaporateur et d’un
surchauffeur. Si l’eau et les fumées circulent à contre-courant, la différence minimum de température
entre les fumées et l’eau définira le point de pincement du procédé. Deux points de pincement apparaissent dans une chaudière de récupération à simple pression (voir
Figure I-7): un point de pincement à la sortie du surchauffeur (F1, E1) et un point de pincement à
l’évaporateur (F3, E3). Le point de pincement définit la limite de récupération correspondant à
l’énergie maximum récupérable dans les fumées. La connaissance des enthalpies des fumées aux
points F1 et F3 permet de déterminer l’énergie disponible tandis que les enthalpies de l’eau aux points
E1 et E4 permettent de déterminer le débit de vapeur pouvant être généré dans cette chaudière.
Évolution des températures dans une chaudière à contre-courant Figure 17 Évolution des températures dans une chaudière à contre-courant
700 Température (°C)
F1
600 pincement1
500 E1 F2
400 F3
pincement 2
E2
E3
300 E4
F4
200
100
Surchauffeur Evaporateur Econo E5
0 Variation d’enthalpie
30
Débitvapeur =
Débit fumée((
H F 1−
−
H F 3))
−
pertes
H E 1
HE 4
Par définition, l’échange de chaleur est réversible lorsque les courbes de température se superposent. En pratique, c’est impossible car même en imaginant des surfaces d’échange infinies, il subsisterait un palier pour la vaporisation de l’eau. On peut visualiser les irréversibilités du procédé en représentant l’évolution de la variation d’enthalpie en fonction
du facteur de Carnot ( T −T 0 ) T (voir Figure I-8 et Figure I-9). Sur ce diagramme, l’aire
comprise entre une courbe et l’horizontale à T0 (15°C) représente l’exergie disponible. L’aire
comprise entre la courbe de refroidissement de la fumée et la courbe d’échauffement de l’eau
représente l’exergie perdue par échange irréversible. Les poches d’irréversibilité peuvent être réduites
en effectuant la vaporisation à différents niveaux de pression. Le nombre de niveaux de pression
restera cependant souvent limité à 3 pour garder une structure économiquement rentable. A titre indicatif, nous allons évaluer les pertes exergétiques dans une chaudière à un seul niveau de
pression (180 bar) et les comparer aux pertes dans une chaudière à deux niveaux de pressions (15 bar
et 180 bar). La composition des fumées est la suivante :
Les données thermodynamiques sont calculées à partir du modèle IAPWS (Wagner W. 1998) pour
l’eau et PTC4 (ANSI/ASME 1981) pour les fumées.
Chaudière 1P (180 bar)
Pour pouvoir produire 1 kg de vapeur HP surchauffée à 540°C, en acceptant un point de pincement de
18°C à l’évaporateur il faut 6.69 kg de fumées à 600°C. Ces fumées ressortent à la cheminée à 151°C.
Les profils de température sont représentés à la Figure I-8. Eau(180 bar) T (°C) état H(kJ/kg) S (kJ/K/kg) 15 liquide 80.05 0.22146 357 liquide 1732 3.85221 357 vapeur 2509 5.10579 540 vapeur 3389.5 6.3733
Fumée
T (°C) H(kJ/kg) S (kJ/K/kg) 151 128.37 0.58875 600 622.76 1.3688
En fixant T0=288.15 K, on calcule :
L’énergie perdue par la fumée : E1 = H − T0 S
=1804.8 kJ
L’énergie reçue par l’eau : On en déduit la perte d’énergie due à l’irréversibilité de l’échange
E = E1 − E2 = 268 kJ, soit 14.8% d’E1
E2 =1536.8 kJ
31
Chaudière à 1 niveau de pression Figure 18 Chaudière à 1 niveau de pression
700
0.8
600
0.7
Fa
cte
ur
de
Ca
rno
t 0.6
Tem
péra
ture
(C
) 500
0.5
400
0.4
300
0.3
200 0.2
100
0.1
0
0
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Variation enthalpie (kW) Variation d'enthalpie (kW)
L’analyse de la Figure I-8 (facteur de Carnot en ordonnée) montre qu’on pourrait réduire les pertes en
insérant la production d’une nouvelle quantité de vapeur sous la température de saturation de la vapeur HP. Cette vapeur doit donc être à une pression inférieure et peut être
surchauffée jusque T<Tsat,HP
.
Chaudière 2P (180 bar et 15 bar)
L’ajout d’un second niveau de pression permet de diminuer la température des fumées à la cheminée à
100°C (la température à la cheminée ne peut pas être trop basse pour éviter tout risque de
condensation acide, source de dégradation dans la cheminée). On voit qu’un second point de
pincement apparaît au vaporiseur BP. Eau(15 bar) T (°C) état H(kJ/kg) S (kJ/K/kg) 15 liquide 64.41 0.22424 198 liquide 844.71 2.31466 198 vapeur 2790.99 6.443 330 vapeur 3104.39 7.03233
Fumée
T (°C) H(kJ/kg) S (kJ/K/kg) 100 76.46 0.45039 600 622.76 1.3688
En gardant une production de vapeur HP de 1kg ainsi qu’une quantité de fumée de 6.69 kg, on peut
produire 0.114 kg de vapeur BP supplémentaire.
En fixant toujours T0=288.15 K, on peut calculer l’exergie:
pour la fumée : E1 = H − T0 S =1885.4 kJ
pour l’eau : E2 =1536.8 kJ (HP) + 123.2 kJ (BP) = 1660 kJ On en déduit la perte d’exergie due à l’irréversibilité de l’échange
32
E = E1 − E2 = 225.4 kJ, soit 11.95% de E1
Chaudière à 2 niveaux de pression
Figure 19 Chaudière à 2 niveaux de pression
700
0.8
600
0.7
Te
mp
éra
ture
(°C
)
500
Fa
cte
ur
de
Carn
ot
0.6
0.5
400
0.4
300
0.3
200 0.2
100
0.1
0
0
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Variation d'enthalpie (kW) Variation d'enthalpie (kW)
33
Évolution de la température de l'eau dans la chaudière en fonction de la pression
Figure 20 Évolution de la température de l'eau dans la chaudière en fonction de la pression
Température
eau 300 bar eau 240 bar eau 180 bar Fumée
Variation d'enthalpie
En ajoutant un niveau de pression on a donc réduit les pertes d’irréversibilité de presque 3%. On peut également réduire les irréversibilités dans une chaudière de récupération en produisant de la
vapeur supercritique (P > 220.64 bar). Le palier de vaporisation s’atténue et on constate une meilleure
concordance entre les courbes des fluides chauds et froids. En pratique, ce sont les irréversibilités de l’ensemble du cycle TGV qu’il faudra réduire, en ce
compris les irréversibilités dues à la détente de la vapeur dans les turbines. Cela se fera notamment en
ajoutant une resurchauffe de la vapeur à la sortie de la turbine haute pression.
6 Géométrie d’une chaudière de récupération verticale La chaudière verticale, quelle que soit sa configuration, est constituée de plusieurs échangeurs de
chaleur. Ces échangeurs comprennent un collecteur d’entrée, une série de tubes (le plus souvent
ailettés pour augmenter l’échange thermique) et un collecteur de sortie. On définira complètement un élément de chaudière en donnant (voir figure):
la direction d’écoulement de l’eau par rapport aux fumées : co-courant ou contre-courant.
Pour être exact, il faudrait parler de courant croisé puisque les fumées s’écoulent
perpendiculairement aux tubes. On parlera cependant de contre-courant lorsque les fumées
rencontrent d’abord les tubes issus du collecteur de sortie (CS) de l’élément et de co-
courant lorsqu’elles rencontrent d’abord le collecteur d’entrée (CE);
le nombre de nappes de tubes (nrow), une nappe étant l’ensemble des tubes situés dans un
même plan et disposés perpendiculairement à la direction des fumées;
le nombre de tubes dans une nappe (nelem);
l’arrangement des tubes : en file ou en quinconce ;
34
Géométrie de la chaudière de récupération Figure 21 Géométrie de la chaudière de récupération
Arrangement en ligne, 4 nappes Arrangement en quinconce, 4 nappes
PL
ntp PT
CE
1 nappe 1 nappe
nelem=5
P L
nelem=5
Ecoulement npass PT ntp
CE
1 contre-
4 0.5
courant
CS CS
CS co-
CS
2 2 1
courant
CE
CE
CE contre- CE
4 courant 1 2
CS CS
f u m é e
f u m é e
le nombre de passes de tubes (npass), le nombre de passes indique dans combien de
nappes le fluide froid circule lors de son passage d’un collecteur à l’autre;
le nombre de tubes en parallèle (ntp), c’est-à-dire le nombre de tubes faisant partie
de la même passe et situés dans le même plan vertical. Il faut remarquer que le
calcul du nombre de tubes en parallèle n’est pas identique selon l’arrangement
des tubes dans le faisceau. =
nrow Si les tubes sont en ligne, on a logiquement ntp
npass
Si les tubes sont en quinconce, on a ntp = 1
2 * npassnrow
C’est pourquoi quand il y a autant de rangées que de passes, le nombre de tubes
en parallèle est de 0.5 lorsque les tubes sont arrangés en quinconce.
l’écartement des tubes dans le sens de l’écoulement des fumées, défini comme le
pas longitudinal (PL) ;
l’écartement des tubes dans le sens perpendiculaire à l’écoulement des fumées,
défini comme le pas transversal (PT) ;
le diamètre, l’épaisseur et la longueur des tubes ainsi que le type de métal utilisé ;
le nombre d’ailettes par mètre de tube ainsi que le type, le diamètre et l’épaisseur de
celles-ci.
35
7 Utilisation industrielle
Le cycle TGV
Aujourd’hui, les nouvelles centrales pour la production d’électricité sont fréquemment de
type TGV (cycle combiné ou centrale turbine gaz/vapeur). Ce sont des cycles qui, comme
leur nom l’indique, combinent une turbine gaz avec une turbine à vapeur (à condensation).
La température élevée des fumées à la sortie de la turbine à gaz permet de vaporiser et
surchauffer l’eau entrant dans le cycle vapeur. La chaudière de récupération constitue
physiquement l’interface entre la turbine à gaz et la turbine à vapeur. Chaque chaudière est unique. Elle est directement tributaire des performances et
contraintes de le TAG, ainsi que du cycle vapeur choisi par les concepteurs de la centrale.
Le choix final est fait en évaluant le rapport coût/bénéfice des différentes possibilités. La
solution à trois niveaux de pression est plus intéressante du point de vue énergétique mais
représente un investissement supplémentaire par rapport à celle à deux niveaux de pression
étant donné la présence d’un évaporateur supplémentaire qui est un appareil assez
coûteux. Il y a donc un compromis à trouver.
Figure 22 cycle combiné
Le rendement d’une centrale classique est compris entre 38% et 45% selon la taille de l’installation et
le nombre de soutirages vapeur. Le rendement des turbines à gaz, qui influence directement la
rentabilité de la production d’électricité, se situe entre 35% et 40%, l’émission de CO2 étant moins de
la moitié de l’émission d’une centrale à charbon classique de puissance équivalente. Dans une
centrale TGV, les rendements des turbines gaz et vapeur ne sont pas aussi élevés que dans les cycles
simples, mais leur combinaison donne tout de même un rendement d’environ 55 %. La baisse du
rendement du cycle vapeur est due à la moins bonne qualité de la vapeur (produite dans une chaudière
de récupération à la place d’un générateur de vapeur où les fumées sont plus chaudes) ainsi qu’à la
simplification du cycle vapeur (suppression de nombreux soutirages intermédiaires lors de la détente
de la vapeur) Quant à la baisse du rendement de la turbine à gaz, elle est due à la haute température
des gaz en fin de détente, nécessaire pour assurer un échange thermique suffisant dans la chaudière de
récupération et à la contrepression induite par la chaudière.
36
Dans la chaudière de récupération d’un cycle combiné, l’échange de chaleur se fait principalement par
convection, contrairement au transfert de chaleur dans un générateur de vapeur de centrale thermique
classique qui se fait non seulement par convection mais surtout par rayonnement.
La cogénération
La cogénération consiste à produire de la vapeur nécessaire à un processus industriel en utilisant les
gaz d’échappement d’une turbine ou d’un moteur à gaz, en lieu et place d’une chaudière classique
comme on en rencontre sur la plupart des sites industriels. Dans son principe, une cogénération au gaz
est un cycle combiné (TGV) où on a supprimé la turbine à vapeur (voir Figure).
Exemple de production combinée chaleur-force
CHAUDIERE de récupération
DEGAZEUR
pompes alimentaires
TAG
FUMEE
TAV Applications A CONTRE-PRESSION industrielles
Chauffage urbain Figure 23 production combinée chaleur-force
La cogénération a du sens sur le plan énergétique uniquement si la chaleur produite est utilisée à bon
escient. Si on ne valorise pas la chaleur produite par une installation de cogénération, on obtient une
unité de production d’électricité avec un rendement inférieur à celui des centrales TGV actuelles. En cogénération, la chaudière de récupération est l’interface entre la turbine à gaz et le
Figure 24 cogénération
CHAUDIERE de récupération
DEGAZEUR
pompes alimentaires
TAG
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consommateur de chaleur. Un cycle combiné dont on soutire une partie de la vapeur de la turbine à vapeur peut aussi être
considéré comme de la cogénération, on parlera également de production combinée chaleur-force.
Dans ce cas, la turbine à vapeur sera à contre -pression car la vapeur à la sortie de la turbine n’est pas
condensée mais déviée vers un réseau vapeur en vue d’application thermique industrielle ou urbaine
(chauffage urbain) (voir Figure I -13). Auparavant, on pouvait également rencontrer ces unités de
chauffage urbain sans TAG (par exemple dans l’unité qui était exploitée par INTERVAPEUR à
Verviers)
Le repowering
Le repowering se présente comme une manière efficace d’améliorer les performances d’une centrale
classique existante (cycle à vapeur seul) en y greffant un cycle gaz. On obtient donc un cycle combiné
(TGV) dont le rendement est bien plus élevé que le rendement d’une centrale classique tout en
profitant des installations existantes (turbine à vapeur, condenseur, tour de refroidissement,…). Le
coût du repowering est donc modéré comparé au coût d’une installation TGV neuve. Lors d’un
repowering, la chaudière à combustion est remplacée par une chaudière de récupération puisqu’il
s’agit d’utiliser l’enthalpie disponible à la sortie de la turbine à gaz en lieu et place du générateur de
vapeur. Figure 25 repowering
Exemple de repowering
CHAUDIERE à combustion
(générateur de vapeur)
DEGAZEUR
pompes
alimentaires
CYCLE VAPEUR
TAV
A CONDENSATION
CHAUDIERE de récupération
CONDENSEUR pompes
TAG d'extraction
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Certains schémas envisagent d’utiliser l’effluent d’une TAG comme comburant préchauffé pour une
chaudière à combustion classique, qui devient alors une unité de postcombustion. Cette alternative ne
permet plus d’utiliser de préchauffeur d’air. Elle se complète bien par une installation de chauffage
urbain, où la chaleur à bas potentiel qui serait utilisée par le préchauffeur d’air classique, peut être
employée pour le production d’eau chaude.
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8 Capacités du marché
Deux paramètres importants interviennent dans le marché des chaudières de récupération : la
consommation électrique augmente ; les accords de Kyoto, qui engagent les pays signataires à réduire
leurs émissions de gaz à effet de serre. Puisque la consommation électrique croît, le parc électrique va devoir être agrandi. En Belgique, il va
peut-être falloir remplacer les centrales nucléaires qui devraient être progressivement arrêtées à l’horizon
2015. Pour des raisons essentiellement économiques, les cycles présentant les meilleurs rendements
seront choisis. Il s’agit des cycles TGV pour la production centralisée d’électricité tandis que la
cogénération apparaît comme une solution alternative économiquement intéressante à la production
centralisée, pourvu bien entendu qu’existent des besoins de chaleur à proximité. La production
d’électricité à partir des énergies renouvelables serait écologiquement plus intéressante, mais elles ne
peuvent en aucun cas assurer la production de base de l’électricité en Belgique. Afin de réduire les émissions de gaz à effet de serre, les centrales thermiques classiques au charbon,
grandes productrices de ce type de gaz, devront être adaptées. La dépollution poussée des fumées est une
solution fort coûteuse. Le repowering ou le remplacement des centrales par des TGV pourraient être
envisagé, mais ces solutions impliquent une modification du combustible, ce qui n’est pas toujours
possible. La centrale IGCC est une centrale à cycle combiné qui, au lieu de brûler du gaz naturel, brûle du
gaz de synthèse (CO + H2). Celui-ci est obtenu à partir de la gazéification du charbon. Le gaz brut issu du
gazéifieur est composé d’un certain nombre de constituants polluants qui doivent être éliminés avant
l’admission du gaz dans la turbine à gaz. L’IGCC permet donc de garder le charbon comme combustible
tout réduisant fortement la pollution atmosphérique. Quelle que soit la technologie choisie, une chaudière de récupération sera nécessaire à l’arrière de la
turbine à gaz. C’est dans ce contexte que le sujet de cette thèse a été choisi. Une meilleure maîtrise de la modélisation
interne des chaudières (maîtrise du processus de dimensionnement des surfaces d’échange pour des
échanges thermiques non- standards : circulation forcée, super critique, etc) est nécessaire. Elle permet
une meilleure prédiction des performances de la chaudière ainsi qu’une meilleure prédiction des données
mécaniques de conception (Pdesign, Tdesign). La chaudière pourra ainsi profiter de façon optimale de
l’enthalpie des fumées de la turbine à gaz pour produire de la vapeur de bonne « qualité » pour le cycle à
vapeur. Cela optimisera également le rendement global du cycle.
Compétitivité des fabricants de chaudière
Pour qu’une chaudière soit compétitive elle doit, au risque de formuler une lapalissade, coûter le moins
cher possible tout en assurant le service exigé. Réduire les coûts doit se faire à toutes les étapes de la
conception de la chaudière.
1. Minimiser les surfaces d’échange
La surface d’échange nécessaire est calculée lors du dimensionnement de la chaudière. Cette surface doit
être minimale sans pénaliser le rendement de la turbine à gaz (en augmentant la perte de charge côté
fumée), tout en générant les débits de vapeur requis et en assurant une température de surchauffe de la
vapeur optimale (correspondant à la température optimale d’entrée dans la turbine à vapeur).
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Choisir les matériaux les mieux adaptés aux gammes de températures et de pressions rencontrées
Des modèles de simulation sont utilisés pour déterminer les conditions opératoires dans la chaudière de
récupération et déterminer les points chauds. Les matériaux sont choisis en tenant compte du résultat de
ces modèles dans toutes les situations envisagées par le client (différentes allures).
3. Choisir au mieux les marges de sécurité
Lorsqu’une nouvelle chaudière est livrée, son fonctionnement à charge nominale (correspondant
généralement au rendement maximum de la turbine à gaz) ainsi qu’à diverses charges partielles doit être
garanti. Le fabricant va prendre des « marges » de sécurité sur la construction de la chaudière de manière
à toujours être certain que les performances garanties seront respectées.
Pour maîtriser le coût de fabrication d’une chaudière de récupération, il est donc nécessaire de calculer de
manière la plus précise possible les conditions opératoires en tout point de la chaudière.
Plus le modèle représentant la chaudière de récupération sera précis, plus les marges pourront être
choisies petites et plus la compétitivité du fabricant sera grande
L'eau de la chaudière: But et maintien des caractéristiques chimiques des eaux.
Cet exposé s'applique au générateur de vapeur à circulation naturelle et à tube de fumées dont la pression
de fonctionnement est inférieure à 50 bars, dans le cas où l'eau d'appoint est déminéralisée.
Afin d'éviter toute confusion, nous rappelons les termes suivants:
Eau brute
Eau disponible avant traitement
Eau d'appoint
Eau généralement traitée, apportée au circuit d'eau alimentaire en compensation des pertes de vapeur et
des purges.
Eau de chaudière
Eau circulant à l'intérieur du générateur.
Eau alimentaire
Eau entrant dans la chaudière constituée généralement par un mélange d'eau d'appoint et de retour.
Retours.
Vapeur condensée retournée dans le circuit d'eau d'alimentation.
L'expérience a montré qu'il était nécessaire de maintenir à une valeur convenable les caractéristiques
chimiques de l'eau des différents circuits afin d'éviter les phénomènes suivants:
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Corrosion des parties en acier et en alliage cuivreux.
Formation de dépôt sur la surface des tubes vaporisateur et sur les plaques tubulaires.
Primage.
Corrosion des parties en acier
Les principaux facteurs susceptibles d'entraîner des corrosions sont:
Présence d'oxygène dissous dans l'eau alimentaire.
PH insuffisant de l'eau de chaudière
Présence de soude libre en quantité trop importante dans l'eau de chaudière.
Présence de dureté et de matières en suspension à quantité trop importante qui sont
susceptible de former des dépôts à la surface des tubes vaporisateurs et sur les plaques
tubulaires.
Corrosion des parties en alliage cuivreux
Les corrosions des alliages cuivreux ont lieu, par suite de la présence simultanée d'oxygène dissous et
d'ammoniaque en quantité trop importante. Remarque évidemment valable car l'installation comporte
des échangeurs et des réchauffeurs d'eau cupro-alliage.
L'ammoniaque n'est nocive que pour les aciers.
Formation de dépôts à la surface des tubes vaporisateurs et des plaques tubulaires.
La présence de dureté et matière en suspension en quantité trop importante dans l'eau alimentaire, ainsi
que les produits de corrosion des tubes vaporisateurs, peuvent provoquer la formation des dépôts sur les
surfaces d'échange. Ces dépôts risquent d'occasionner une surchauffe importante du métal et de donner
lieu à des éclatements. Ils peuvent engendrer des corrosions très graves dont les évolutions sont parfois
très rapide.
Primage.
Le primage d'un générateur est favorisé par une salinité et une alcalinité importante de l'eau de chaudière.
Lorsque l'eau d'appoint est déminéralisée, il n'y a normalement pas à craindre que la salinité de l'eau de
chaudière soit suffisamment élevée pour être à l'origine d'un primage éventuel du générateur. Toutefois,
afin de limiter le teneur en sels de la vapeur, à la suite même de très faible entraînement d'eau de
chaudière, on a intérêt à limiter la salinité de l'eau de chaudière à une valeur relativement basse.
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Terminologie et unités.
Le pH (potentiel hydrogène)
Le pH d'une solution est égal par définition au logarithme de la concentration ionique de l'ion H+. Le pH
indique le caractère acide ou basique d'une eau. Une eau, par exemple l'eau déminéralisée avant
conditionnement à un pH très voisin de 7, une eau acide a un pH inférieur à 7 et basique supérieur à 7.
La dureté (titre hydrotimétrique TH)
Elle exprime la teneur d'une eau en sels de calcium et de magnésium.
Eau alimentaire.
Afin de limiter les corrosions du circuit alimentaire, il est utile de relever le pH à une valeur supérieure à
9,0 tout en restant inférieur à 9,3 en présence de cuproalliages dans le circuit. Un pH de 9,0 mini est
également favorable vis-à-vis des phénomène d'érosions et corrosions des pompes aliment aires en acier
ou fonte.
Le pH peut être maintenu à la valeur convenable, soit à l'aide d'un conditionnement au phosphate tri
sodique. Dans le cas où l'eau alimentaire est conditionnée à l'ammoniaque, la vapeur sera aussi
conditionnée. Dans le cas où le pH est relevé à l'aide de phosphate, l'eau alimentaire ne pourra plus servir
pour une désurchauffe par injection.
Dureté
La dureté étant responsable de la formation de tartre au sein du générateur, il convient de limiter celle-ci à
une valeur suffisamment basse. Les chaînes de déminéralisation actuelles permettent sans difficultés
d'obtenir les valeurs indiquées. La dureté provient généralement de la pollution du circuit, mais aussi
d'une défectuosité du poste de déminéralisation. Dans les installations comportant des condenseurs
refroidis à l'eau brute, la pollution du circuit par la dureté est fréquemment due à une fuite de ces derniers.
Oxygène dissous
L'oxygène dissous est générateur de corrosions localisées par aération différentielle qui peuvent croître
très rapidement. Pour éviter ces corrosions, il convient d'éliminer, par voie thermique, l'oxygène dissous
dans l'eau alimentaire. Il est recommandé de compléter le dégazage thermique par maintien d'un excès
d'hydrazine, à l'entrée de la chaudière, 0,050 à 0,20 mg/l exprimé en N2H4.
L'hydrazine sera injectée suivant les installations, au puits des condenseurs, à la bâche dégazante ou au
niveau des pompes alimentaires. Il est recommandé d'utiliser de l'hydrazine catalysée.
Lorsque la vapeur est susceptible d'entrer en contact avec des produits destinés à l'alimentation,
l'hydrazine ne peut être utilisée . Jusqu'à 50 bars, on pourra utiliser le sulfate de sodium catalysé en
remplacement, sachant que le sulfite apporte de la salinité en chaudière alors que l'hydrazine n'apporte
aucune salinité. Entre 50 et 60 bars, le sulfite de sodium catalysé peut encore être utilisé mais sa
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concentration en chaudière devra être réduite et bien suivie. Le sulfite de sodium est généralement injecté
en bâche. On pourra également utiliser des réducteurs d'oxygène proposés par les traiteurs d'eau. Ces
produits doivent présenter une DL 50 élevée. On suivra les recommandations du fournisseur de ces
produits quant aux doses à injecter et à maintenir dans l'eau d'alimentation et en chaudière.
Fer et cuivre
Afin d'éviter l'accumulation en chaudière d'oxydes métalliques qui risquent de former des dépôts poreux,
et par suite, de donner lieu à ces phénomènes de corrosion sous dépôts, il convient de veiller à ce que la
teneur en oxydes de l'eau alimentaire ne dépasse pas le maximum indiqué. Mis à part les quelques
premiers jours de mis en route de l'installation, ces valeurs sont normalement respectées sans difficultés
particulières. Lorsque la teneur en cuivre de l'eau se maintient à un niveau élevé, cela est l'indice qu'un
matériau alliage cuivreux subit une corrosion due à la présence simultanée, en quantité trop importante,
d'ammoniaque et d'oxygène.
Eau de la chaudière
Le pH, tel qu'indiqué dans le tableau de recommandations, est obtenu par addition d'un phosphate plus ou
moins alcalin en fonction de la qualité de l'eau à traiter: phosphate tri sodique, di sodique, mono sodique
ou tripolyphosphate de sodium.
Un pH anormal peut être dû à une dose trop forte ou trop faible de phosphate, ou bien encore à
l'utilisation d'un phosphate non adapté à l'eau à traiter (par exemple traitement par du phosphate
trisodique d'une eau déminéralisée contenant une petite quantité de soude libre).
D'autres causes: la pollution par exemple, peut être à l'origine de pH anormaux.
Alcalinité
L'alcalinité correspond a~ phosphate et à la soude libre, présents en chaudière. Un TAC insuffisant
indique un défaut de conditionnement en phosphate, un TAC trop élevé indique, soit une teneur trop
grande en soude libre, soit un conditionnement en phosphate tri sodique trop important.
Phosphate
La présence de phosphates permet de maintenir dans l'eau une alcalinité suffisante afin d'éviter les
phénomènes de corrosion dus à la présence de soude caustique, et de précipiter sous formes non
incrustante la dureté pouvant être introduite en chaudière.
Le conditionnement de l'eau de chaudière en phosphate peut être obtenu, soit de façon continue soit de
façon discontinue, les injections peuvent se faire dans la bâche sous dégazeur mais d'une façon générale,
il est recommandé d'injecter le phosphate dans le réservoir eau vapeur du générateur. En effet l'injection
dans la bâche a pour effet d'encrasser l'économiseur en cas d'entrée de dureté dans le circuit et le
nettoyage chimique des économiseurs est parfois plus délicat que celui d'un générateur.
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Salinité totale
La salinité totale correspond normalement à la somme P04Na3 + NaOH + Si02 plus les sels provenant
'des impuretés de l'eau déminéralisée ou de pollution.
Lorsque l'eau déminéralisée est de bonne qualité et que le l'eau du circuit n'est pas polluée, un taux de
purge ne dépassant pas 1% de la vaporisation est suffisant pour limiter les sels dissous à la valeur
maximale admissible.
Soude libre
La soude libre peut être responsable de phénomène de corrosion, aussi doit-elle être limitée à une valeur
suffisamment faible. Elle provient généralement de fuites ioniques de la chaîne de déminéralisation. La
teneur en soude libre doit être maintenue à une valeur inférieure à la limite indiquée par l'utilisation d'un
phosphate adéquat (comme indiqué plus haut) ou à l'aide de la purge continue.
Silice
La concentration en silice est limitée de façon à éviter la formation d'incrustations silicatées par réaction
avec la dureté résiduelle de l'eau d'appoint. Mais l'eau de chaudière doit être suffisamment alcaline pour
que la silice présente puisse être maintenue en solution. Cette condition est réalisée si la concentration en
·Si02 ne dépasse pas une certaine valeur, variable en fonction de la pression. Par ailleurs, la silice à la
propriété d'être soluble dans la vapeur à haute pression. Dans les installations comprenant une turbine, la
silice à tendance à se déposer sur les aubages lors de la détente de la vapeur.
Taux de purge de déconcentration
Une purge est nécessaire pour limiter la concentration de l'eau de chaudière. Sa valeur est fonction de la
composition chimique de l'eau d'appoint, de la proportion de vapeur condensée dans l'eau d'alimentation
et des caractéristiques admissible en chaudière.
En désignant par:
Le facteur de concentration dans l'eau de chaudière, du constituant de l'eau d'appoint qui sert à calculer la
purge (constituant dont la valeur maximale admissible est la plus rapidement atteinte par suite de la
concentration en chaudière),
R le pourcentage de vapeur condensé retournant à la bâche alimentaire, l~ taux de purge de
déconcentration P est donné par la formule:
P et R sont exprimés en % de la vaporisation.
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Contrôle des caractéristiques des eaux
Fréquence des contrôles
Les contrôles doivent être effectués à une fréquence suffisante pour permettre de déceler en temps voulu
une dégradation de la qualité de l'eau. La fréquence des contrôles dépend donc en grande partie de la
fiabilité de la qualité des eaux.
Les fréquences des contrôles que nous indiquons en annexe, dans le tableau des contrôles à effectuer sont,
en conséquence, données à titre indicatif.
Contrôle à effectuer
Les contrôles que nous préconisons sont indiqués dans le tableau (annexe); '.-
Prélèvement des échantillons d'eau
Les échantillons d'eau dégazée et d'eau de chaudière doivent être prélevés aprèsrefroidissement à travers
un réfrigérant en acier inoxydable (nuance 3ü4L ou mieux 316L).Les échantillons pour analyses
manuelles devront être prélevés en flacons plastiques soigneusement rincés avec l'eau à analyser.
1) 2 fois par semaine en période de démarrage ou de redémarrage.
2) Cette mesure est une confirmation de la mesure de conductivité et réciproquement. La mesure directe
consiste à effectuer l'extrait sec de 100ml d'eau mais la relation entre salinité et conductivité dépend de la
nature des sels. Un recoupement est possible, en première approximation par addition des conductivités
des différentes espèces en concentration des principales espèces chimiques susceptibles d'être rencontrées
en chaudière:
Na3P04 : 3,0~S/cm par mg/l de Na3P04
NaOH : 5,4 ~S/cm par mg/l de Na0H
NaCl : 2 ,0~S/cm par mg/l de NaCl
NH3 : 5,0~S/cm pour 1 mg/l de NH3
Caractéristiques de l'eau alimentaire et de l'eau de chaudière
Les caractéristiques optimales de l'eau d'alimentation et de l'eau de chaudière sont celles définies ci-
dessous:
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Le pH sera maintenu à l'aide d'ammoniaque, éventuellement à l'aide de phosphate tri sodique. Le dosage
d'ammoniaque sera ajusté de façon à maintenir dans les condensats un pH mini de 8,0.
Formation de couches de protection
La corrosion peut être limitée par la formation, spontanée ou provoquée de couches de protection. Ces
couches sont dites naturelles quand elles résultent de l'action des composants de l'eau et de la température.
Par contre, l'intervention d'agents extérieurs tels que des produits inhibiteurs provoquent dans certaines
conditions la formation artificielle d'une couche protectrice, mettant en jeu, selon le cas des processus
d'inhibition ou de passivation contrôlée.
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Film de magnétite
L'existence de températures supérieures à 100°C favorise indépendamment de la présence d'oxygène, la
transformation du fer et de l'hydroxyde ferreux en magnétite Fe304, produit de degré d'oxydation
intermédiaire.
Cette réaction débute à 100°C et est achevée à 200°C. La magnétite forme une couche trés résistante,
mais susceptible de se redissoudre en présence d'acier ou de concentration locale de soude caustique.
Dans le cas des eaux très pures et exemptes d'oxygène
au-dessous de 200°C à 250°C: il est nécessaire de maintenir un pH d'autant plus élevé que la
température est plus faible
au-dessus de 200°C à 250°C: le maintien de la corrosion ne dépend plus du
pH, ceci du moins au-dessus de la neutralité.
Le dégazage thermique
En l'absence d'oxygène, le fer , mis en contact avec l'eau, est d'abord attaqué avec formation d'hydrate
ferreux soluble; un état d'équilibre qui stoppe l'attaque est ensuite atteint assez rapidement.
En présence d'oxygène, l'hydrate ferreux s'oxyde en hydrate ferrique insoluble et, comme: il n'y a plus de
possibilité d'atteindre un état d'équilibre, l'attaque du fer se poursuit continuellement.
Dans les chaudières, il se produit en outre un phénomène électrochimique, expliqué par EVANS, sous
l'appellation de couple d'aération différentielle. Une pile locale s'établit entre les parties du métal en
contact avec l'eau, lorsque cette dernière présente des teneurs en oxygène dissous différentes, rendues
possibles par exemple s'il se manifeste la présence d'une bulle de vapeur. L'hydroxyde ferreux, résultant
de l'attaque, se transforme en hydroxyde ferrique, qui précipite en consommant de l'oxygène. A l'endroit
où se dépose l'oxyde ferrique se situe l'anode de la pile et la corrosion se développe par piqûre. Même à la
cathode, l'oxygène joue le rôle néfaste en se combinant avec l'hydrogène naissant pour empêcher la
polarisation de la pile.
Le gaz carbonique accélère les attaques par l'oxygène. De plus, sa présence dans la vapeur entraîne
l'abaissement du pH des condensats qui corrodent alors le métal à la manière d'un acide dilué.
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Eau dégazée
C'est une eau dont les g, dissous ont été éliminés jusqu'à une teneur limite de :
0,007 à 0,03 mg/l pour l'oxygène
0,05 à 1 mgl1 pour le gaz carbonique, suivant la teneur en bicarbonate de l'eau à dégazer.
le dégazage
Le dégazage thermique est régi principalement par deux lois :
Loi de HENRY
Lorsqu'un gaz est en contact avec un liquide qui le dissout, il s'établit un rapport constant, pour une même
température, entre le volume du gaz dissous mesuré à la pression finale de l'atmosphère gazeuse, et le
volume du dissolvant.
Ce rapport est appelé coefficient de solubilité.
Loi de DALTON ou des pressions partielles
Dans une enceinte fermée contenant plusieurs gaz parfaits, chacun se comporte comme s'il occupait à lui
seul tout le volume de l'enceinte et comme s'il était à une pression partielle égale au produit de la pression
totale régnant dans l'enceinte, par le rapport du nombre de molécules de ce gaz au nombre total de
molécules gazeuses contenues dans l'enceinte.
Pour les opérations de dégazage, on pourra admettre que les gaz réels se comportent comme des gaz
parfaits.
Le rapport multiplicateur sera encore égal à la concentration en volume du gaz considéré.
Il faut donc, en théorie, pour éliminer les gaz dissous dans l'eau, annuler leur pression partielle au-dessus
de cette eau, par exemple, en réchauffant celle-ci dans une enceinte de façon à élever la pression de
vapeur saturante et à la porter le plus prés possible de la pression totale.
Principe
a) Préchauffage et dispersion,
L'eau à dégazer est préchauffée par récupération des calories disponibles dans la chaufferie, puis elle est
dispersée, à la partie supérieure de l'enceinte de dégazage, en une infinité de fines gouttelettes de façon à
la faire chuter uniformément sur toute la section. Ainsi, les gaz à éliminer n'auront pas à traverser de
couche épaisse d'eau pour être expulsés.
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b) Réchauffage et balayage,
L'eau est portée dans l'enceinte à une température souvent comprise entre 102 et 105°C, au fur et à
mesure de son arrivée, par un apport de vapeur proportionnel introduit à la base de l'enceinte. Ainsi, l'eau
tombant en pluie est balayée par un contre courant ascensionnel de vapeur.
c) Expulsion des gaz et condensation
Sous l'effet de la pression, souvent comprise entre 0,1 et 0,3 bar, le mélange gaz vapeur est poussé vers
l'atmosphère à travers un orifice situé à la partie supérieure de l'enceinte.
Avant expulsion, ce mélange est refroidi par l'eau à dégazer pour séparer la vapeur de gaz incondensables.
La vapeur condensée redissout une faible partie des gaz expulsés et retourne à la partie supérieure de
l'enceinte de dégazage.
d) Rebouillage et stockage
Avant de sortir de l'enceinte, l'eau déjà dégazée, entre en ébullition au contact de la paroi du rebouilleur
alimenté par la vapeur de rechauffage. Elle tombe enfin dans la bâche de stockage maintenu en équilibre
de pression avec l'enceinte de dégazage.
La combustion et le rendement.
Définitions
-La combustion est une réaction chimique accompagnée d'un dégagement de chaleur (exothermique).
Lorsque la combustion est vive, elle se traduit par une flamme voir une explosion (déflagration ou
détonation). La combustion ne peut avoir lieu que lorsqu'on est en présence à la fois: d'un combustible,
d'un carburant et d'une énergie d'activation en quantité suivante. L'énergie d'activation permet déporter le
combustible à une température suffisamment enlevée pour obtenir son inflammation.
Cette température dépend du combustible: la bagasse, bien que nous ne connaissons pas son énergie
d'activation, on peut dire qu'elle est largement dépassé car les températures au niveau du foyer sont de
l'ordre de + lOOO°C.
le rendement d'une installation est le rapport de la puissance thermique utile délivrée p,ar le
système sur la puissance thermique qui lui est apportée.
Evaluer le rendement est l'une des taches les plus ardues auxquelles les spécialistes (les thermiciens) sont
confrontés. Ce qui fait que les constructeurs donnent des formules assez simples pour les praticiens, plutôt
approximatives et loin de la réalité dans la plupart des cas. C'est pourquoi nous allons combiner l'étude de
la combustion par celle du rendement. Car en réalité c'est le rendement de la combustion qui nous
intéresse vraiment.
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Le combustible
Les combustibles sont composés d'un mélange de différents constituants actifs ou inertes, en proportion
variables. Les principaux constituants actifs d'un combustible dégageant de la chaleur au cours de leur
combustion sont:
Le combustible utilisé est la bagasse. La bagasse est le résidu obtenu après broyage et extraction du jus de
la canne à sucre. En moyenne une tonne de canne- donne 250kg de bagasse bien que les qualités de
cannes ne sont pas identiques. Avec l'apparition du SHREDD~R, la préparation de la canne s'est
nettement améliorée. Lorsqu'une batterie de moulins équipée d'un Shredder écrase la quantité de cannes
pour laquelle elle a été réglée, comme cela se fait à la CSS, la bagasse arrive en chaudière avec une
moyenne à 49% d'humidité et une « granulométrie» régulière. Lorsqu'on sait que 1% d'humidité
représente environ 5ükcal soient 2ü9.3kj, plus la bagasse sera « sèche» plus le pouvoir calorifique sera
élevé.
Composition physique
La composition physique de la bagasse varie dans d'assez étroites limites. Son caractère le plus important
du point de vue de la formation de vapeur est son humidité.
En dehors de l'eau, la bagasse contient : de la fibre, formée surtout de cellulose et constituant le ligueux
de la bagasse.
De matières en solution dans l'eau (cette eau provenant évidemment de l'imbibition et du jus), formés de
sucre et d'impuretés. Ces matières dissoutes sont en petite quantité, de l'ordre de 2 à 4%.
Composition chimique
La composition moyenne standard sur sec est:
C= 47%
H = 6,5%
=44%
Divers = 2,5%
La teneur moyenne en cendres est d'environ égale à 2%.
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Cependant l'analyse de référence effectuée sur la bagasse à la sortie des moulins donne d'autres valeurs.
Nous utilisons ces valeurs puisque la bagasse utilisée provient directement des moulins sauf si : les
moulins sont en arrêt la bagasse venant des moulins est trop humide. Dans ce cas on utilise en apport
l'excèdent au niveau de la cour à bagasse.
En moyenne on a sur humide:
Teneur en eau 50%
PCI 1850kcalJkg
Analyse de référence :
C'est à partir de la composition élémentaire du combustible que l'on calcule le pouvoir comburivore, le
pouvoir fumigène, la teneur en CO2 d'une part.
D'autre part les compositions des combustibles solides comme la bagasse différente en fonction de
plusieurs paramètres (origines, condition de formation, variété, etc. Pour cette raison, l'analyse est
difficile. On a généralement deux types d'analyses disponibles.
On peut définir et déterminer teneur en eau, matières volatiles, teneur en carbone fixe , teneur en cendre.
• Teneur en eau
On chauffe une masse m de bagasse à IOOce sous vide. L'eau s'évapore et une
masse ml de bagasse sèche reste.
51
• Indice de matières volatiles
On chauffe la bagasse sec à haute température et sans air (pyrogénation). De matières volatiles se
dégagent et il reste un résidu solide, dit le coke, de masse m2 .On définit
Teneur en cendre
On brule le coke en présence d'oxygène; il reste un résidu incombustible de masse
m3 : les cendres .On définit
• Teneur en carbone
Finalement on peut définir la
-Analyse chimique élémentaire:
On brûle complètement un échantillon de bagasse sec en présence d'oxygène .On mesure les pourcentages
de COz' H zO' °2 , N; dans les fumées et l'on en déduit les pourcentages massiques des composants
C,R,O,N, en cendre dans le combustible.
On doit remarquer que:
• La teneur en carbone fixe déterminée par l'analyse immédiate est inférieure à celle par l'analyse
chimique car les matières volatiles contiennent du carbone
• L'oxygène du combustible est lié à l'hydrogène sous une forme d'eau appelée eau de
constitution, dans ce cas, le pourcentage d'hydrogène disponible pour la combustion sera seulement H -
0/8 .
• Les cendres sont des matières minérales qui affaiblissent la qualité du combustible en abaissant
la température de combustion, d'un autre coté, à haute température, ils se décomposent et sont fusibles. Ce
qui peut changer leur effet sur le rendement de combustion.
Par ailleurs une approximation des pouvoirs calorifiques inferieur et supérieur est faite à partir des
relations suivantes que nous utiliserons plutard.
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Où C, H, 0, et E% sont respectivement les pourcentages massiques de carbone, d'hydrogène, d'oxygène et
de l'eau; on obtient le PCI et le PCS en kJ/kg de combustible.
On connaît les proportions en poids:
E% : teneur en eau exprimée sur combustible brut
K%: teneur en cendres exprimée sur combustible sec
(C%) : teneur en carbone exprimée sur combustible pur
(H%) : teneur en hydrogène
(0%) : teneur en oxygène
K%: c'est teneur en cendres exprimée sur combustible brut = teneur en eau exprimée sur combustible brut
multipliée par la teneur en cendres exprimée sur combustible sec = E% * K%= 50 % * 1.5%= 0.75% car
on a :
Nous pouvons exprimer les teneurs en carbone, hydrogène, oxygène sur combustible brut soit:
On estime que le PCI de la bagasse tourne aux alentours de 1850 kcal/kg de combustible soit 7744..1
kJfkg de combustible. En calculant on obtient les valeurs suivantes:
On constate que ces valeurs sont très proches de ceux données par l'analyse chimique.
Ou bien :
Pour déterminer approximativement le pouvoir calorifique supérieur des combustibles solides à partir de
l'analyse immédiate, on peut utiliser la formule suivante:
53
Où C et V sont carbone et matières volatiles en % masse respectivement, F est une fonction de x
avec
:
La consommation
Deux méthodes de calculs ont été utilisées pour évaluer la consommation.
Première méthode :
Stock mois i +1 - Stock mois i=Stock non consommée entre i et i+1
Stock consommée entre i et i+ 1= Stock produit entre i et i+ 1 - Stock non consommée entre i et
i+ 1
Deuxième méthode :
On sait que 1kf de bagasse correspond à 2,5kgs de vapeur. Donc en connaissant la production de
vapeur, on peut calculer la consommation de bagasse.
Ces calculs sont illustres par les tableaux suivants:
Première méthode :
54
Figure 26 évaluer la consommation
55
56
57
Figure 27 évaluer la consommation deuxieme methode
58
Nous remarquons que les résultats obtenus différent de loin ceux donnés par les constructeurs à savoir
une consommation de 17850kgs/h.
Le comburant
Le comburant est l'autre réactif de la combustion. Il s'agit en fait de l'oxygène contenu dans l'air
ambiant. Les combustibles végétaux, comme la bagasse contient
Une certaine proportion d'oxygène. Cet oxygène participe aussi à la combustion des constituants actifs.
La composition moyenne en volume de l'air atmosphérique sec est la suivante :
59
Pour les calculs relatifs à la combustion, nous considérerons que la proportion en volume est de 20,8%
d'oxygène et 79,2% d'azote.
Notion de réglage de l'air comburant.
Considérons un feu de forge: portons la bagasse à sa température d'inflammation au moyen d'un feu de
papier et de petit bois par exemple.
Dans un premier temps nous ne soufflons pas d'air dans le foyer: nous obtenons une flamme terne, molle,
fumeuse. Une analyse des fumées en queue de la flamme nous montrerait une forte proportion de gaz
imbrûlés, due au manque de comburant, d'où gaspillage de combustible.
Si nous essayons alors de chauffer de l'eau de notre casserole nous constatons que le temps d'apparition
des premières bulles de vapeur saturée est très long. Une fois la bagasse enflammée, nous pouvons
essayer d'activer la combustion au moyen d'un soufflet. Si nous soufflons violemment sur de la bagasse
qui vient juste de s'enflammer, nous ralentirons la propagation des feux et nous obtiendrons un effet
contraire à celui recherché. L'injection du comburant ne doit donc pas être effectuée de n'importe quelle
façon, mais réalisée de manière à constituer un mélange intime et correctement proportionné entre
comburant et combustible. Réalisons cette condition, soufflons l'air directement au coeur du foyer et
utilisons modérément notre soufflet: la flamme s'allonge, devient plus sèche plus brillante, les fumées
observées auparavant en queue de flamme disparaissant quand la quantité de bagasse entrain de brûler
augmente progressivement.
Chauffons .notre casserole, portons l'eau à son point d'ébullition avec la flammeainsi obtenue et mesurons
le temps écoulé pour voir apparaître les premières bulles de vapeur d'eau.
Augmentons encore le débit d'air, la flamme s'allonge de plus en plus, se décolle de la base et devient plus
instable. Chauffons maintenant notre casserole d'eau.
Contrairement à la manipulation précédente, la flamme n'effleure plus le fond de la casserole, mais elle
enveloppe complètement en léchant les parois externes. Nous n’observons que le temps écoulé pour voir
apparaître les premières bulles de vapeur est plus long que précédemment. Une partie de la chaleur
dégagée par la combustion sert à chauffer l'air que nous avons mis en excès.
60
La transmission de la chaleur à l'eau s'effectuant dans de mauvaises conditions et le temps de chauffage
de l'eau ayant été plus long, nous avons utilisé une quantité plus importante de combustible, qui a brûlé
plus vite pour parvenir au même résultat.
Notion de perte et de rendement
Au cours des manipulations que nous venons de décrire, nous .avons :
1/ Tout d'abord gaspillé plus de combustible que nécessaire par manque de comburant, une partie des
composés du combustible ne brûlant pas.
La quantité d'énergie perdue de ce fait est appelée perte par imbrûlés.
2/ ensuite de gaspiller plus de combustible nécessaire en ajoutant du comburant en excès. Une partie de
chaleur dégagée a servi à chauffer le comburant et non l'eau de la casserole.
L'énergie calorifique ainsi perdue est appelée perte par chaleur sensible des fumées.
Il est évident que plus les pertes 1/ et 2/ seront petites, plus la quantité de combustible utilisé pour
chauffer notre eau sera faible; on dira aussi que le « rendement» de l'opération de chauffage de l'eau de la
casserole est plus élevé. Il est donc nécessaire d'apporter beaucoup de soin au réglage de la quantité de
comburant mélangée au combustible.
L'énergie d'activation
Pour que la combustion ait lieu, il faut nécessairement une énergie d'activation.
Dans la chambre de combustion des chaudières à bagasse, on utilise du bois sec à chaque démarrage de la
chaudière. En bruyant le bois, on augmente la température du foyer, ce qui est due à la chaleur dégagée
par cette combustion provoquée.
La production de chaleur de cette réaction permet à la réaction de s'auto entretenir avec la bagasse
introduite à faible quantité, puis s'amplifier en une réaction en chaîne dans la mesure où le point
d'inflammation de la bagasse est inférieure à la température du foyer.
Types de combustion :
Il existe 2 types de combustion: la combustion rapide et la combustion lente. Nous intéressons à la
combustion rapide dans notre étude car le foyer est soumis à une réaction rapide.
La combustion rapide est une forme de combustion au cours de laquelle de grandes quantités de chaleur et
d'énergie sous forme de lumière sont relâchées, donnant naissance au feu.
Elle est divise en 4 categories: ·
La combustion neutre ou stoechiométrique
La combustion réductrice ou avec défaut d'air
61
La combustion oxydante ou avec excès d'air
La combustion mixte qui peut être mi-réductrice ou mi-oxydante
Produits de combustion:
La combustion conduit à la formation de résidus solides et gazeux. Pour la marche à bagasse uniquement,
nous avons:
Les résidus solides:
les résidus solides sont constitués par:
- les cendres que l'on recueille dans les foyers sous forme pulvérulente ou à l'état de mâchefers.
Le carbone imbrûlé que l'on trouve dans les cendres ou les mâchefers
-les particules de fine granulométrie qui se trouvent en suspension dans les fumées et qui constituent les
suies.
Les résidus gazeux ou fumées:
Les résidus gazeux ou fumées comprennent essentiellement l'azote amené par le comburant ainsi que les
gaz issus de la combustion du carbone et de l'hydrogène. La composition des fumées issues de la
combustion de la bagasse est pour: la combustion stoechiométrique ou neutre dans laquelle les fumées
contiennent Céz, ,H20 '!'I21 pas d'imbrûlés gazeux ni d'oxygène libre. C'est une combustion complète
sans excès ni défaut d'air qui conduit au rendement de combustion maximum. Pour des raisons techniques
(température trop élevée entraînant des dissociations, temps de contact trop faible entre l'oxygène et le
combustible), on la réalise rarement dans la pratique industrielle. Elle joue cependant un rôle capital car
elle ' sert de base à l'étude de toutes les autres combustions.
- la combustion oxydante dans laquelle les fumées contiennent. Cïz,H 20 ,N2 et de L’oxygène libre. C'est
une combustion complète avec un excès d'air. Par rapport à la comhustion neutre, le rendement de
combustion est diminué par augmentation des pertes par chaleur sensi~le des fumées.
- la combustion réductrice où l'on trouve dans les fuméesC02, H 20, N 2 , des imbrûlés gazeux comme
CO et parfois H 2, pas d'oxygène libre. C'est une combustion incomplète par défaut d'air. La présence
d'imbrûlés gazeux diminue le rendement de combustion.
- les combustions mixtes dans lesquelles les fumées contiennentCO2 ' H 20 ,1 N,! de l'oxygène libre et
des imbsûlés comme CO et H2 •
C'est un cas particulièrement défavorable, la présence d'imbrûlés et d'oxygène libre est due par plusieurs
facteurs:
a) température trop élevée qui entraîne des dissociations.
b) combustible solide ou mélange de combustibles solides qui libèrent des cendres trop fusibles ;
62
c) foyer trop froid
d) turbulence insuffisante au foyer
e) chambre de combustion mal dimensionnée où la flamme ne peut pas se développer normalement.
Les combustions mi-oxydantes où l'air est en excès
Les combustions mi-réductrices où l'air est en défaut.
Estimation de la quantité de particules solides en suspension dans les fumées:
Les particules en suspension dans les fumées comprennent:
a) les particules sèches minérales provenant du combustible
b) des particules sèches de carbone imbrûlé
Il faudrait faire des analyses pour les estimer.
Teneur en eau des fumées, condensation:
Du fait que le combustible contient de l'hydrogène, les fumées contiennent de la vapeur d'eau, elles sont
humides. La présence de vapeur d'eau dans les fumées
Conditionne leur température de rosée (apparition d'eau condensée. Celle-ci sera d'autant plus basse que
la proportion en H 20 sera forte. Heureusement les fumées sont rejetées à environ 230 "C, température
supérieure au point de rosée puisqu'en calculant cette température avec la formule suivante, on a :
En prenant q=1 (cas extrême) on trouve Te =2 ,011° C avec T=230 "C.
63
Combustion neutre ou stoechiométrique:
Comme nous l'avons vu précédemment, la combustion stoechiométrique appelée combustion neutre, est
une combustion complète sans excès ni défaut d'air. C'est une combustion idéale dans laquelle les fumées
ne contiennent que du C02, de la vapeur d'eau HzO et de l'azote Ns.
C'est une combustion qui est caractérise par le pouvoir comburivore, le pouvoir fumigène, la teneur en
COz des fumées.
Pouvoir comburivore :
C'est la quantité d'air sec nécessaire à la combustion neutre d'un kg de combustible solide ou liquide ou
d'un m3N (m3 normal) de combustible gazeux. En d'autres termes, c'est la quantité d'air comburant
nécessaire à la combustion complète d'un kg de combustible.
Il se note Pa ou en volume Va:
Pa (kg d'air/kg de combustible)
Va ( m3N d'air/kg de combustible).
Pouvoir fumigène:
On appelle "pouvoir fumigène" la masse ou le volume de fumées dégagées par la combustion neutre d'un
.kg de combustible solide ou liquide ou d'un m3N de combustible gazeux. En d'autres termes, c'est la
quantité de gaz de combustion (fumées) produite par la combustion neutre d'un kg de combustible. Par
abus de langage, on parle de poids au lieu de masse. On l'exprime sur la:
a) quantité de fumées humides lorsque l'eau est à l'état de vapeur
Fr (kg de fumées humides/kg de combustible) ou P, (kg de fumées humides/m-N de combustible gazeux).
La masse ou le volume de fumées humides intervient dans le calcul des pertes par chaleur sensible à la
cheminée.
b) quantité de fumées s6ches lorsque l'eau présente dans les fumées est condensée
Pr kg de fumées sèches/kg de combustible ou kg de fumées sèches/m-N de combustible
V ï ' m3N de fumées sèches/kg de combustible ou m3N de fumées sèches/mêN de) combustible
La masse ou le volume de fumées sèches intervient dans l'analyse des fumées et le contrôle de la
combustion.
- Teneur en C02 des fumées neutres
Elle intervient dans le contrôle de la combustion. On l'exprime sur fumées sèches
et on la désigne par a % .
64
Calcul des caractéristiques de la combustion neutre du combustible:
On sait que:
. les masses molaires, du carbone, de l'hydrogène, de l'oxygène, de l'eau sont respectivement: 12 - 2 - 32.
18 grammes par mole.
- le volume molaire des gaz est Vo= 22,4 litres
Nous utiliserons des valeurs 1000 fois plus grandes plus commodes pour nos calculs.
Les masses seront exprimées en kg, les volumes en m3N
a) Pouvoirs comburivores Pa et Va
Les équations de combustion s'écrivent
Soit 32 kg de 02 pour brûler 12 kg de carbone
Soit 16 kg de 02 pour brûler 2 kg d'hydrogène
Le poids d'oxygène nécessaire pour brûler 1 kg de combustible (sur brut) est donné par l'expression
Puisque la proportion en poids d'oxygène dans l'air est de 23%, on en déduit le poids d'air:
On reviendra sur le calcul de V Q =2.98416 m3N/kg de bagasse
b) Pouvoirs fumigènes exprimes sur fumées humides
Exception faite des matières minérales qui constituent les cendres, on retrouve dans les fumées
les autres constituants du combustible.
La conservation de la masse permet d'écrire:
Le volume de fumées humides est la somme:
- du volume des produits de la combustion VI .("'2
- du volume des inertes du combustible que l'on retrouve à l'état gazeux Vi
65
- du volume d'azote VN amené par le comburant, ici l'air.
Le calcul de Vf~ s'effectue à partir des équations de combustion:
C +O2 =CO2 Soit 22,4 m3 de C02 pour 12 kg de carbone
Les inertes que l'on trouve à l'état gazeux dans les fumées sont constitués par l'eau
V I et l'azote. On aura donc:
La proportion d'azote dans l'air est, en volume, de 79,2%. On en déduit:
En définitive, le pouvoir fumigène exprime sur fumées humides aura pour expression:
En calculant nous obtenons:
Le volume de fumées humides est la somme:
- du volume des produits de la combustion Vr;
- du volume des inertes du combustible que l'on retrouve à l'état gazeux Vi
- du volume d'azote VN amené par le comburant, ici l'air.
Le calcul de Vic s'effectue à partir des équations de combustion:
66
Les inertes que l'on trouve à l'état gazeux dans les fumées sont constitués par l'eau et l'azote. On
aura donc:
La proportion d'azote dans l'air est, en volume, de 79,2%. On en déduit:
En définitive, le pouvoir fumigène exprime sur fumées humides aura pour expression:
En calculant nous obtenons:
67
Figure 28 tableau de combustible
68
Figure 29 tableau masse volumique des fumees humides et sechedans les conditions
normales.
69
Etude de Chaudière Alteo ltd.
FCB « fluidized bed combustion boiler«
Une définition simple dit que la chaudière n'est rien d'autre qu'un générateur de vapeur. C'est dans cette
chambre que l'on brûle le mélange « air' bagasse» en libérant une certaine quantité de chaleur.
Projection pneumatique avec 5 alimentateurs à chaîne équipés de variateurs de vitesse de réglage du débit
et d'un plan de grille à barreaux basculants en fonte spéciale.
Le basculement se fait par vérins pneumatiques.
Dimensions de la grille
- Longueur 6,495m
- Largeur 3,5m
- surface 23 m2
Dimensions de la chambre de combustion
- Largeur entre murs 6551mm
- Profondeur foyer 3770mm
-Hauteur moyenne 4700mm (6000 entraves réservoirs)
-Volume approximatif 162m3
70
Elle est refroidie sur ces 4 faces par des écrans de tubes d'eau (on en reparlera plutard)
Il. Evacuation hydraulique des mâchefers
L'appareillage pour l'évacuation hydraulique des mâchefers est identique pour les
4 autres chaudières, il comprend:
5 Déverseurs de cendre en fonte
5 clapets d'isolement avec arbre de commande et contre poids d'équilibrage.
L'eau de châsse est fournie à partir de :
1 réservoir de châss1e automatique de 1500 litres à basculement à cadence de fonctionnement réglable.
2 groupes moto-pompes à amorçage automatique: débit horaire 18m3 sous 20m et leurs accessoires
(crépines d'aspiration, clapet de retenue, jeu d'orgues).
Les échangeurs de chaleur: économiseur, écrans, surchauffeurs et désurchauffe.
Les échangeurs de chaleur sont en réalité constitués d'économiseurs, d'écrans, de surchauffeurs et sont
constitués en grande partie par des faisceaux de tubes. Nous sommes en présence d'une chaudière dite
tubes d'eau, à l'extérieur de ces t-.;bes, lesl' gaz de combustion à trè~ haute température (circuit gaz)
cheminement, l'intérieur de ces tubes est parcouru par l'eau (par échauffement et évaporation) et par le
vapeur qu'elles y soient surchauffée :
L'économiseur
Le réchauffage de l'eau d'alimentation est un procédé primordial d'augmentation de l'économie d'une
chaufferie. Il permet d'extraire des gaz d'échappement de la chaudière la chaleur en excès que la chaudière
elle-même ne peut plus absorber. La chaleur récupérée par l'eau d'alimentation dans l'économiseur et
restituée à la chaudière est de la sorte très appréciable. Les économiseurs lisses en acier sont à tubes en
acier ailetés, les ailettes étant en acier ou en fonte. Les tubes ailetés entièrement en fonte ont pratiquement
disparu. Ces tubes sont. Montés horizontalement et reliés entre eux par des coudes. Les coudes
d'extrémité sont soudés, à l'exception de 3 d'entre eux qui sont munis de brides, ceci permettant un
démontage en vue de l'inspection interne des tubes. L'appareil est installé derrière la chaudière entre des
murs en briques et a les caractéristiques suivantes :
Construction AIR INDUSTRIE
Timbre: 49 bars
Surface: 1.010 m2
Composé de 100 tubes à ailettes en fonte type T 615 V, longueur 5.700 mm
Disposition: 1 groupe de 10 nappes de tubes.
Les écrans
71
Les tubes sont soudés à leurs extrémités sur les collecteurs inferieurs d'alimentation et supérieurs de
dégagement pour les écrans latéraux. Les tubes de dégagement de l'écran avant et de collecteurs
supérieurs d'écrans latéraux sont dudgeonnés dans le corps supérieur. Les collecteurs sont munis de trous
de point de visite .
72
Le surchauffeur
Il permet d'augmenter la température de la vapeur à pression constante.
Figure 30 surchauffeur
Les tubes de surchauffeur sont soudés sur les collecteurs d'entrée et de sortie vapeur.
L'émulsion d'eau et de vapeur formée dans les écrans retourne au réservoir par l'intermédiaire de tubes de
dégagement. Séparée de la phase eau puis séchée, la vapeur produite passe dans les surchauffeurs
successifs où sa température est élevée à pression constante. La vapeur est ensuite dirigée vers les
appareils utilisateurs par une tuyauterie reliée au collecteur de sortie du dernier surchauffeur. La
température de la vapeur pouvant varier en fonction de divers paramètres, elle doit être réglée dans une
plage de valeurs bien déterminée pour éviter les contraintes thermiques dangereuses dans le surchauffeur
en cas de température trop élevée ou des condensations importantes en cas de températures trop basses.
C'est le but des désurchauffeurs de vapeur, décrits au paragraphe suivant. La surchauffeur, placée à la
partie supérieure arrière de la chambre de combustion, est protégé par une grille de tubes de coup de feu
constituée par le prolongement d'une partie des tubes d'écran arrière. Il comporte un ensemble de
serpentins verticaux non vidangeables, 'a deux parcours.
73
Désurchauffeur
Le désurchauffeur est un dispositif permettant de maintenir la température de la vapeur surchauffée
délivrée au réseau à une valeur constante jusqu'à un certain. seuil, appelé « seuil de surchauffe ». Pour
permettre d'ajuster la température vapeur sortie surchauffeur, l'installation comporte un désurchauffeur
par surface, installé dans le réservoir inferieur. Il comporte:
Deux fois 7 boucles de tubes <I> 51 * 3,2 mm en A 37
Longueur approximative: 5.600mm.
Le désurchauffeur par surface
Il s'agit d'un échangeur parcouru par la vapeur surchauffée à refroidir, et situé dans, une zone à
température plus froide: le réservoir inférieur de la chaudière. Ce système de désurchauffe « indirect»
présente l'avantage d'éviter tout risque de pollution de la vapeur par une injection d'eau de surchauffe de
mauvaise qualité. La désurchauffe est toutefois limitée dans ce cas par les contraintes dimensionnelles du
désurchauffeur par surface.
Réservoir supérieur:
L'eau réchauffée dans l'économiseur arrive au réservoir par une ou plusieurs tuyauteries de liaison reliant
le collecteur de sortie de l'économiseur au réservoir (ces tuyauteries sont munies en leur point haut de
robinet d'évent) , Ce réservoir constitue une enceinte de mélange où la phase liquide et la phase vapeur
d'eau du générateur se trouvent réunies. Le réservoir supérieur comprend des équipements externes: Ce
sont les piétements nécessaires aux raccordements des diverses tuyauteries d'alimentation en eau, de
dégagement de vapeur que nous définirons au fur et à mesure de leur rencontre dans l'étude du circuit:
Event, Niveaux, Soupapes de sûreté, Prises d'échantillons, Tuyauterie de purge.
NB: on utilise fréquemment le terme de « ballon» pour désigner le réservoir supérieur.
Le ballon supérieur est cloisonné, afin de sélectionner l'alimentation dans les tubes du faisceau arrière, où
l'on a ainsi une circulation descendante. Des sécheurs de vapeur s'opposent aux entraînements d'eau dans
les conditions normales de fonctionnement.
Réservoir inférieur Le réservoir inférieur est alimenté à partir du réservoir supérieur au moyen de tubes d'alimentation,
constitués éventuellement par certains tubes du faisceau vaporisateur situés dans la zone de fumées la plus
froide. Les deux corps cylindriques sont en tôle d'acier A 52 C 1 de construction soudée, avec fond
emboutis comportant chacun un trou d'homme.
74
Figure 31 Réservoir inférieur
Collecteur de vapeur en sortie de surchauffeur.
Cette tuyauterie comporte les éléments suivants :
-Un manomètre avec robinet d'isolement.
-Une soupape de sûreté permettant à la vapeur de s'échapper lors de toute augmentation de la pression au
dessus de sa pression de tarage.
-D'un évent de démarrage (ou mise à l'air libre) muni d'une vanne d'arrêt et d'une vanne d'isolement à
soupape; cet évent permet d'assurer la circulation de la vapeur dans les surchauffeurs lors de la montée en
pression et de l'arrêt de la chaudière.
-D'un circuit d'échantillonnage équipé d'un robinet d'isolement et d'un réfrigérant.
-D'un clapet anti-retour.
-D'une vanne de départ permettant de mettre ou d'interrompre la communication de la vapeur vers le
réseau d'utilisation.
-D'un organe déprimogène permettant de mesurer le débit de vapeur.
-D'un robinet de purge du collecteur de vapeur.
Ventilateur et cheminée:
• Ventilateur d'air sous grille:
Son rôle est d'assurer ,qur les orifices de la grille ne soient pas obturés.
Caractéristiques :
Poids d'air à souffler : kglh 81000
Température de l'air: oC 40
Pression statique au refoulement Pa 500
Pression totale Pa 590
Vitesse de rotation tr/mn 805
Puissance absorbée kW 15
• ventilateur de turbulence
Comme son nom l'indique, il a en charge de créer une turbulence au niveau de la chambre de combustion.
Poids d'air à souffler: kglh 4800 Température de l'air: oC 40
Pression statique au refoulement Pa 3500
Pression totale Pa 1800
Vitesse de rotation tr/mn 2390
Puissance absorbée kW 52
• ventilateur de distribution
75
Il doit projeter la bagasse pour éviter que dette dernière ne s'entasse d'un seul coté.
Poids d'air à souffier : kglh 8000
Température de l'air : oC 40
Pression statique au refoulement Pa 3500
Pression totale Pa 3650
Vitesse de rotation tr/mn 2880
Puissance absorbée kW 10,6
• ventilateur de tirage
Il aspire l'excédent de fumées que ne peut absorber la chaudière elle-même.
Poids d'air à souffler: kglh 100000
Température de l'air: oC 230
Pression statique ~u refoulement Pa 130~
Pression totale Pa 1740
Vitesse de rotation tr/mn 800
Puissance absorbée kW 100
• ventilateur secondaire ou tertiaire
Son rôle est d'apporter l'excès d'air nécessaire pour une bonne combustion. Mais malheureusement nous
ne disposons pas des caractéristiques de ce ventilateur.
Cheminée La cheminée d'évacuation des gaz a une hauteur de 20m et Un diamètre extérieur de 1,760m. Elle est en
tôle roulée de 5mm d'épaisseur, protégée intérieurement par du béton réfractaire tenu par le métal
déployé.
Gaines d'air et de fumées: Les gaines d'amenées d'air autres que celles réalisées en maçonnerie sont en tôle de
3mm non calorifugée.
Les gaines de fumées entre la chaudière et l'économiseur, et entre l'économiseur et le ventilateur de tirage
sont en tôle de 4mm calorifugée extérieurement.
La chaudière est munie d'un poste de conditionnement d'eau comportant:
Deux bacs de dosage, avec robinetterie et 2 électro agitateurs.
Deux électropompes doseuses DOSAPRO MILTON ROY B, Simplex, type 140
FR 151
Un barillet commun à la sortie des pompes doseuses, permettant d'injecter les réactifs au niveau de la
chaudière.
Produits injectes: P04Na3 et NaOH
En cas de dégradation des caractéristiques de l'eau alimentaire, (coup de sucre par exemple),
cette disposition associe à une purge correspondant à 25% de la vaporisation, permet de protéger la
chaudière.de dans quel type de Chaudière.
Equipement de ramonage
76
Le nettoyage extérieur des tubes de la chaudière et de l'économiseur est effectué par ramonage à la vapeur avec des appareils à commande manuelle et à commande mécanisée pour le ramoneur rétractile. L'installation comporte- : Pour la chaudière :
Le souffleur de suies à lance rétractile sur un mur latéral. Ce souffleur se situé devant la grille d'entrée du
surchauffeur.
6 souffleurs de suies à tuyères multiples sur rampe rotative pour les faisceaux de convection.
Etude dans quel type de Chaudière.
La chaudière à lit fluidisé circulant. « FCB »
La technique de fluidisation est une technique très ancienne qui trouve ses premières applications dans
l’industrie chimique et pétrochimique. Elle fut utilisée en Allemagne dès les années 20, dans les premiers
gazéifieurs Winkler. Elle consiste à mettre un produit granuleux ou pulvérulent en suspension dans un
gaz, cela afin d’améliorer le contact gaz/solides et favoriser la cinétique des réactions chimiques et du
transfert thermique.
Ce n’est qu’au début des années 70 que l’on commença à s’intéresser à cette technique pour la
combustion et à développer son application pour la génération de vapeur à partir de combustibles solides.
Les vitesses de fluidisation utilisées étaient alors relativement faibles (1 à 2 m/s) et juste suffisantes pour
mettre les particules de combustible en mouvement sans qu’il y ait entraînement. Ce mode de fluidisation
a donné naissance à la première génération de foyers à lit fluidisé, appelés lits fluidisés denses (bubbling
bed). Les premières réalisations industrielles de ce type ont permis de confirmer l’efficacité de la
fluidisation pour la combustion du charbon. Mais simultanément elles ont mis en évidence un certain
nombre de contraintes d’exploitation inhérentes au mode de fluidisation (problèmes de maintien du
niveau du lit lors des variations de charge, d’alimentation et de distribution de combustible, de flexibilité
vis-à-vis des variations des caractéristiques des combustibles, .).
Pour résoudre ces problèmes, les programmes de recherche s’orientèrent alors vers l’augmentation de la
vitesse de fluidisation. Vers la fin des années 70, le concept du lit fluidisé circulant fit son apparition.
Après une longue période de développement et de mise au point sur des unités pilotes, les premières
réalisations de taille industrielle ont été construites dans les pays nordiques pour brûler de la tourbe.
Ce n’est que quelques années plus tard, sous la poussée de réglementations environnementales de plus en
plus contraignantes, que la technique de fluidisation a été mise à profit pour la réduction in situ des
polluants gazeux tels que les oxydes de soufre et les oxydes d’azote. La réduction des émissions d’oxydes
de soufre est obtenue par injection de calcaire (ou dolomie) dans le lit. Les réactions de calcination du
carbonate de calcium et de sulfatation sont favorisées par un contrôle efficace de la température de
combustion à une valeur voisine de 850 oC. La réduction des oxydes d’azote est quant à elle favorisée par
77
une température de combustion relativement basse (faible production de « NOx thermique »), et par une
combustion étagée (réduction de la production de « NOx combustible »).
Depuis cette période la technique du lit fluidisé circulant s’est considérablement développée. Aujourd’hui,
elle est reconnue par les producteurs d’électricité comme l’une des filières de combustion propre du
charbon les plus performantes et les plus fiables. Tous constructeurs confondus, elle représente une part
importante du marché mondial des chaudières à charbon. Ses domaines d’application sont variés :
génération d’eau surchauffée pour réseau de chauffage ;
génération de vapeur BP/MP pour procédés ;
cogénération chaleur/électricité ;
génération pure d’électricité (centrales thermiques).
Cogénération
La sucrerie profite de son installation de production de vapeur d’eau nécessaire au processus de
fabrication, pour produire sa propre énergie électrique. Cette double utilisation de la vapeur d’eau
s’appelle « cogénération » et permet de produire 90% de l’électricité du site. Le reste est acheté à un
fournisseur d’électricité local.
D’un point de vue économique, cela permet de limiter le montant de la facture énergétique.
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Figure 32 schema de la centrale thermique pour les production d'energie
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Recommandation
Les chaudières de type FCB de la présentent de nombreuses anomalies de l'alimentation en
combustible à la production de vapeur. Les constructeurs ont réalisés des tests afin de déterminer
les conditions de marche idéales. La chaudière ne peut en aucun cas atteindre un rendement
nominal ou un débit nominal (40tlh) avec des valeurs différentes de celles préconisées par les
constructeurs. C'est dans cet ordre d'idées que nous recommandons à la CSS ces quelques
suggestions:
La bagasse
L'utilisation de totalisateurs de bagasse ou d'un autre moyen de quantification de la
consommation s'impose dans la mesure où sans cette consommation, il est très difficile de faire
les calculs comme celui du rendement. D'une unité de préparation de la bagasse avec les fumées
du récupérateur (au cas où se sera installé ou des fumées de la cheminée) .c'est-à-dire sans apport
énergétique car: Quant on sait que 1% d'humidité représente 50 kcal, plus la bagasse sera
«sèche» plus le pouvoir calorifique sera élevé. Supposons que la bagasse soit à 5% d'humidité après sa préparation, on aura:
PCI =339 x 23.32375 +1214(3.225625 - 21.835/8) - 25x 5 =7929. 19875kJ / kg = 1894.219kcal / kg au
lieu de 1734.16kcal / kg .
L'eau:
L'eau alimentaire:
Les caractéristiques de l'eau alimentaire sont les suivants:
• Température entrée économiseur: 105 oC • Température sortie économiseur: 192 oC
• Débit maximum : 46t/h • Pression : 56 bars
Un rapport de la société Alteo ltd effectué au niveau de la chaufferie à montrer que l'eau alimentaire
atteignait 69 oC à l'entrée de l'économiseur. Ce qui entraîne une consommation supérieure à la normale.
Q : Chaleur fournie par l'eau (kcal)
m : masse d'eau (kg!
Cp : Chaleur massique de l'eau (kcallkg.C)
J:Température a la sort1ie de I'économiseurfC)
I: Température a l'entrée de l'économiseur (C)
Supposons que l'eau alimentaire entre dans l'économiseur soit de 80 C
80
Ce qui signifie que l'on fournit plus de la chaleur que ce qUI est nécessaire que d'habitude, ce qui
entraine une consommation en combustible plus importante. Ce même rapport de c01trôle
indique que les teneurs en silice (> 5mg/l) (l.. même que les conductivités étaient élevées lors des
prélèvements ce qui favorise une:
a. Diminution du rapport de concentration
b. Augmentation des besoins en eau déminée
La maintenance
Après inspection des lieux, nous constatons qu'il n'y a aucun plan de maintenance à part celui de
fin de campagne. Nous pensons qu'il serait judicieux d'établir un plan de maintenance durant la
campagne pour anticiper une quelconque panne.
Ramonage
Le ramonage doit s'effectuer tous les 8h. Mais avec la demande en vapeur trop importante, on
n'arrive pas à respecter cette consigne qui pour un premier temps permet de satisfaire cette
demande. Cependant cela a des conséquences néfastes pour la chaudière puisque: les envols se
déposent sur les faisceaux vaporisateurs et par cette même occasion, ils diminuent l'échange
énergétique entre les faisceaux et la fluide (car le coefficient global de transfert de chaleur
diminue). Donc il faudra en collaboration avec tous les autres services utilisant la vapeur essayer
de trouver des créneaux, des horaires pour pouvoir ramoner.
Récupérateurs:
Il a été démontré au chapitre 7 que l'utilisation d'un récupérateur est bien possible.
Ce serait un grand atout pour les chaudières dans la mesure où pratiquement toute l'énergie serait
utilisée. Bien qu'une étude économique n'ait été faite, nous recommandons à la css ou fcb de
prévoir une enveloppe pour ce projet.
L'installation d'un récupérateur entrainera certaines modifications comme:
L'installation de variateurs de vitesses ou d'un autre système de régulation des débits d'air sur
chaque ventilateur du moment ou la charge est différente.
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Travail des pompes.
Travail de la pompe d’extraction 𝑾𝑷𝒆
Les pompes d'extraction ont pour rôle d'extraire la vapeur condensée appelée (eau d'extraction) et de
l'acheminer vers les réchauffeurs d'eau basse pression.
Travail de la pompe alimentaire 𝑾𝑷𝒂.
Les pompes alimentaires ont pour rôle d'alimenter le générateur de vapeur avec l'eau nécessaire, en
passant par les réchauffeurs haute pression. Elles renvoient l'eau sous forte pression aux générateurs de
vapeur : ce sont les pompes les plus puissantes de la centrale. Elles doivent s'accommoder des variations
de charge et adapter leur débit et leur pression de refoulement. Cela nécessite un entraînement à vitesse
variable, le plus souvent par turbine à vapeur.
Simulation du fonctionnement.
82
Figure 33 circuit eau- vapeur
83
84
Figure 34 schema variation de vitresse
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86
Figure 35 paramétrage de vitesse
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Conclusion
La diminution du rendement de la chaudière dans les deux régimes (normal et perturbé) par rapport au
rendement qui est calculé lors de la réception de l’installation de la chaudière est due à la mauvaise
combustion, qui entraine des pertes considérables par la formation de monoxyde de carbone, ces pertes
croissent très vite avec la teneur en 𝐶𝑂 [Ks-Sa], pour cela il va falloir trouver un compromis qui satisfasse
les deux aspects, à savoir un coefficient d’ excès d’air minimum, qui dépend de la teneur de 𝐶𝑂, et le
rendement maximum assuré par un minimum des pertes thermiques.
La température des gaz des fumées évacuées a une grande influence sur le rendement de la chaudière. Un
bon rendement est obtenu dans les conditions optimales qui correspondent à des basses températures des
fumées. L’exigence des consommateurs d’énergie électrique tant en quantité (puissance demandée de plus
en plus croissante) qu’en qualité (continuité de service avec un minimum de coupure) poussent les
responsables de notre pays à donner une grande importance aux centrales, ainsi la construction des
nouvelles centrales de différentes types en Algérie est en progression constante. Le secteur de l’énergie et
l’un des secteurs les plus stratégiques pour l’économie, l’importance de son rôle dans l’épanouissement
d’un pays est énorme. La plupart des pays développés portent un grand intérêt à ce secteur.
Durant notre visite à la centrale électrique d’Alteo ltd, nous avons eu l’opportunité de nous rapprocher de
domaine industriel et plus particulièrement de celui de la production de l’électricité. Notre attention s’est
focalisée particulièrement sur le rendement des Installations Motrices à Vapeur (IMV), leurs
fonctionnements ainsi que leurs performances. Ces centrales électrique présentent un intérêt primordial
dans la chaine technologique, et par la même, jouent un rôle incontestable dans le développement
énergétique à l’échelle mondiale.
Ces systèmes industriels sont caractérisés par une complexité importante (technologie d’automatisation,
interactions importantes opérateurs-processus) qui complique d’avantage la tache de l’opérateur chargé
du contrôle, supervision, et de diagnostic, pour pouvoir agir en temps réel et pourquoi pas une conduite
par système expert. Pour pallier cette difficulté, l’aide informatique devient indispensable. L’utilisation
des systèmes experts est favorablement avantageuse, mais elle nécessite le détient de l’information dans
le domaine d’application.
En revanche, l’utilisation de générateur d’un système expert G2 nous a servit des tas de choses
notamment pour l’organisation et l’implantation des connaissances qu’aussi bien à la simulation par
approche d’orienté objet, ainsi de sentir l’importance de l’intelligence artificielle dans le domaine
industriel ; néanmoins l’accomplissement de toutes ces taches font appel à une forte exigence de mettre ce
système à jour pour rendre son utilisation plus intuitive et conviviale.
Dans notre travail, nous avons voulu tout d’abord approfondir nos connaissances sur le principe de
fonctionnement des divers composants de la centrale thermique à vapeur dans le site de la centrale de
production d’électricité de Alteo ltd, et d’évoluer par la suite l’état général de la centrale, en étudiant les
différents paramètres énergétiques, notamment le rendement de cycle, et implicitement la consommation
spécifique. Ainsi que, la puissance effective utile et la puissance perdue, on a essayé de mettre en
considération le maximum de paramètres qui pourraient influer le rendement, comme la variation de la
température et de la pression qui conduisent directement à la variation de l’enthalpie. Cette expérience a
été très enrichissante et qui a résulté d’une résolution quasi-adéquate d’un problème pratique vécu dans le
domaine industriel des centrales thermiques.
• L’amélioration du rendement d’une centrale peut se faire par l’amélioration de l’un de ses équipements
et aussi bien par l’amélioration du rendement de cycle.
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La gestion technique d’une centrale thermique impose un suivi rigoureux de la performance des appareils
entrant dans le cycle de production d’énergie électrique. Le rendement de ces appareils représente le
critère d’appréciation pour juger cette performance.
Nous avons appris qu’un bon fonctionnement des organes de la chaudière assuré par un bon traitement de
la maintenance prédictive ainsi que par une bonne exploitation de l’installation permet de minimiser les
pertes thermiques et d’améliorer le rendement.
Après l’étude thermodynamique et le calcul des rendements global et thermique, avec une comparaison
de nos valeurs et paramètres avec ceux du constructeur, il a été fait comme constat une diminution des
performances. Cette décroissance est acceptable, vu que les paramètres d’exploitation restent dans les
seuils fixés par le constructeur.
La croissance économique de l’Alteo, et l’augmentation de son besoin en énergie électrique ont
engendrées pour la productions de cette énergie électrique une consommation des grandes quantités de
combustible et évacuation des quantité importantes d’énergie dans l’atmosphère sous forme de fumées
chaudes, ces dernières représentent des pertes de chaleur pour la centrale et une augmentation de la
quantité de gaz à effet de serre pour l’atmosphère ; tenant comme exemple la centrale thermique de Alteo,
l’émission totale de dioxyde de carbone est de 19200 tonnes par an, c’est la constatation de la quantité
très importante de fumées sortantes des cheminées de la centrale dans l’air. Et sans aucun doute,
l’augmentation de la température des fumées engendre une diminution de rendement de la chaudière.
L’essentielle pour nous, c’est qu’on a éclairci la démarche pour aboutir à un meilleur rendement en reliant
la théorie et la pratique, notamment de bien connaitre les pistes de communication des deux, et par
conséquent, conclure le fonctionnement de la centrale thermique, et ce dans le but de progresser les études
d’énergie et des systèmes énergétiques et pourquoi pas d’entamer les études des systèmes modernes
(énergies renouvelables). Ce que nous proposons comme perspectives pour compléter ce travail, est
l’élaboration d’un système qui puisse faire un diagnostic à partir de la variation des différents paramètres,
tout en gardant d’une part, le bon fonctionnement en temps réel et de l’autre part, la maitrise et le contrôle
des anomalies dans un intervalle de sécurité.
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Référence
http://homeappliance.manualsonline.com/manuals/mfg/smith_cast_iron_boilers/natural_or_propane_
gas_boiler_gb300.html?p=20
https://www.youtube.com/watch?v=-9NkVl_BGPY
http://fr.slideshare.net/controlsystemworld/boiler-introduction-21381222?related=1
https://www.google.mu/search?num=20&site=&source=hp&q=boiler+fcb+&oq=boiler+fcb+&gs_l=hp.3..
0i22i10i30.7786.15596.0.18439.12.12.0.0.0.0.612.2268.2-
4j2j0j1.7.0....0...1c.1.64.hp..6.6.1655.0.PDgprEzPnC8
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Sommaire Caractéristiques des formes de construction des moteurs siemens
Caractéristiques techniques et références des moteurs siemens
Couples thermiques limites des moteurs siemens
Caractéristiques techniques et références des variateurs siemens
Détermination des sections de câbles
Caractéristiques et références de câbles de puissance
Fusibles pour variateurs siemens S 150
Options pour variateurs siemens S 150
Caractéristiques des afficheurs numériques
Connexions des signaux de commande du variateur
Paramètres du variateur de vitesse
Choix du système de commande en fonction des facteurs de risques estimés
Fonctions du module de sécurité K82
Raccordements et fonctionnement du module de sécurité K82
Commutateur (switch) Hirschmann
Câbles réseau local informatique ACOLAN cuivre (guide de choix)
Réseau local informatique ACOLAN optique (guide de choix)
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Annexe I
Calcul des surfaces de tubes ailettés Cette annexe est une compilation du calcul des différentes surfaces autour d’un tube à ailettes, nécessaires
notamment pour déterminer les coefficients de transfert sur les différentes nappes d’une chaudière de
récupération.
Annexe II
Quelques définitions Les principaux nombres adimensionnels ainsi que les propriétés physiques et leurs unités sont rappelé
dans cette annexe.
Annexe III
Généralités sur les pertes de charge. Toutes les équations utilisées pour la modélisation de l’écoulement des fluides dans une chaudière de
récupération sont reprises dans cette annexe. Une application au cas particulier des chaudières y est
également détaillée.
Annexe IV
Généralité sur les transferts de chaleur Toutes les équations utilisées pour la modélisation du transfert de chaleur dans une chaudière de
récupération sont décrites. Le calcul des performances des échangeurs de chaleur y est également résumé.
