Le cycle de Hirn (ou de Rankine avec surchauffe) utilise un fluide condensable qui est refroidi à une pression et une température suffisantes pour qu'il soit entièrement liquéfié avant compression. Dans ces conditions, le travail de compression devient quasiment négligeable devant le travail de détente (alors qu'il en représente environ 60 % dans une turbine à gaz). Le liquide comprimé est vaporisé et surchauffé dans la chaudière par échange thermique avec la source chaude, puis détendu et condensé. L'état diphasique du fluide lors des phases de condensation et de vaporisation est très favorable pour les échanges de chaleur.

Le schéma de principe d'une centrale thermique à vapeur idéale fonctionnant selon le cycle de Hirn est donné sur la figure ci-dessous. Il montre qu'une telle centrale comprend quatre composants, traversés par le même débit d'eau :

• une pompe ,

• une chaudière ,

• une turbine

• et un condenseur .

La pompe est généralement du type centrifuge, multiétagée compte tenu du très haut rapport de compression à réaliser.

La chaudière remplit trois fonctions successives et se comporte donc comme un triple échangeur :

• chauffer l'eau d'alimentation pressurisée jusqu'à la température de vaporisation à la pression correspondante ;

• vaporiser l'eau ;

• et enfin la surchauffer à la température désirée.

La figure ci-dessous montre la salle des machines d'une centrale à vapeur de 300 MW.

Les turbines à vapeur sont pour la plupart des turbines axiales multiétagées, qui peuvent être regroupées en deux grandes classes, selon la manière dont la détente se répartit entre le stator et le rotor :

• les turbines à action, dans lesquelles toute la détente du fluide est alors réalisée dans les aubages fixes ou tuyères, en amont de la roue, et les pressions en amont et en aval du rotor sont égales ;

• les turbines à réaction, dans lesquelles la détente est alors également répartie entre les tuyères du stator et la roue.

Chacun de ces deux types de turbine présente des avantages et des inconvénients qui lui sont propres : les turbines à action sont généralement utilisées pour les étages de tête des turbines multiétagées ou pour les unités de petite puissance, tandis que les turbines à réaction se révèlent bien adaptées pour les parties basse pression des turbines.

Le condenseur est un échangeur dont la particularité est de travailler en dépression par rapport à l'atmosphère, compte tenu de la faible tension de vapeur de l'eau à la température ambiante. La condensation à 20 °C implique que l'on maintienne dans le condenseur un vide assez poussé (0,023 bar), ce qui suppose un dispositif d'extraction de l'air complexe compte tenu des fuites inévitables, d'autant plus qu'il faut recourir à des turbines basse pression gigantesques compte tenu du très faible volume spécifique de la vapeur d'eau à 20 °C, qui impose de très grands débits-volumes, et donc des sections de passage et des vitesses très élevées.

Une exploration dirigée permet d'étudier ce cycle en détail (S-M3-V7).

Signalons l'existence de cycles à vapeur mettant en jeu des fluides autres que l'eau. On les appelle cycles organiques de Rankine. Une page du portail leur est dédiée.

Il est possible de modéliser avec précision un cycle de centrale à vapeur avec Thermoptim.

Si vous désirez savoir comment bâtir pas à pas un tel modèle avec Thermoptim, vous pouvez vous référer à ce guide de prise en mains ou à la séance Diapason S26.

Cette exploration dirigée vous familiarisera avec le modèle Thermoptim de ce cycle.

Cette figure montre le résultat d'une telle modélisation.

La finalité d'une centrale à vapeur est de produire de la puissance mécanique à partir d'énergie thermique.

Les trois fonctions principales d'une centrale à vapeur se déduisent de l'analyse technique précédente, et peuvent être énoncées comme suit :

• comprimer l'eau liquide ;

• la vaporiser et la porter à haute température ;

• détendre la vapeur en produisant du travail mécanique.

La vapeur détendue doit ensuite être ramenée à l'état liquide, ce qui correspond à une fonction contrainte : « Ramener la vapeur à l'état liquide ».

La condensation elle-même fait appel à deux fonctions, l'une pour représenter l'échange thermique dans le condenseur, et l'autre pour y maintenir un vide poussé et extraire les incondensables, compte tenu de la très faible pression de saturation de l'eau à température ambiante.

L'ensemble de ces fonctions se retrouve dans le diagramme FAST de centrale à vapeur donné ici à titre d'exemple.

Le cycle de Hirn ou de Rankine simple que nous avons considéré jusqu'ici est loin d'être le plus performant, car il s'écarte beaucoup, pour des raisons diverses, du cycle de Carnot. Pour l'améliorer, on a recours à des réchauffes et des prélèvements comme le montre la séance Diapason S27 .

Deux explorations dirigées permet d'étudier de tels cycles en détail (C-M1-V3 et C-M1-V5).

L'optimum technico-économique des centrales électriques à vapeur à flamme correspondait jusqu'à ces dernières années à des cycles de Hirn avec des conditions de sortie chaudière de l'ordre de 560 °C et 165 bars, conduisant, avec une réchauffe et sans prélèvement, à un rendement thermodynamique voisin de 40 %.

Pour augmenter significativement ce rendement, il est possible d'utiliser des cycles dits supercritiques en ce sens que la pression de l'eau dépasse la pression critique de 221,2 bars.

Une  fiche thématique particulière est consacrée à autre variante, celle des cycles de centrales nucléaires à Eau Pressurisée (REP), dans lesquelles la très faible surchauffe de la vapeur conduit à une architecture spécifique.

Chapitre 6

Un extrait de ce chapitre est librement téléchargeable avec l'accord des Presses de l'Ecole des Mines de Paris

Exercices d'auto-évaluation

Configuration d'une centrale à vapeur, texte à trous

Fonctionnalités dans un cycle de centrale à vapeur, placement sur image

Configuration d'une centrale à vapeur, placement sur image

Energie mécanique dans une centrale à vapeur simple, quiz

Repérage d'un cycle de centrale à vapeur dans un diagramme (h, ln(P)), placement sur image

Repérage d'un cycle de centrale à vapeur dans un diagramme entropique, placement sur image

Explorations dirigées

S-M3-V7 Exploration d'une centrale à vapeur simple

L'objectif de cette exploration est de vous guider dans vos premiers pas d'utilisation de Thermoptim, en vous faisant découvrir les principaux écrans et fonctionnalités associés à un modèle de centrale à vapeur simple.

Vous découvrirez comment les écrans des points et des transfos peuvent être paramétrés et calculés, les notions d'énergies utiles et payantes permettant de dresser les bilans énergétiques globaux.

Vous visualiserez les cycles dans le diagramme thermodynamique (h, ln(P)) et vous effectuerez des études de sensibilité du cycle à la température extérieure et à la haute pression.

C-M1-V3 Centrale à vapeur à resurchauffe

Cette exploration montre comment le cycle simple de la centrale à vapeur peut être amélioré, l'objectif étant de minimiser les irréversibilités.

En pratique, les modifications des cycles élémentaires portent essentiellement :

• d'une part sur la réduction des différences de température tant avec l'extérieur du système qu'en interne

• et d'autre part sur le fractionnement des compressions et des détentes

Vous apprendrez comment paramétrer une transfo compression ou détente suivant une loi polytropique.

C-M1-V5 Centrale à vapeur à resurchauffe et prélèvement

Le cycle de la centrale à vapeur à resurchauffe permet, en fractionnant la détente, d'améliorer légèrement les performances du cycle simple.

Le second axe d'amélioration des cycles moteurs consiste à réduire les irréversibilités par hétérogénéité de température.

Séances Diapason

Les séances Diapason traitant des centrales à vapeur sont données dans le tableau ci-dessous. La séance S25 est plus particulièrement dédiée à la technologie, alors que les autres permettent de construire dans Thermoptim des modèles de centrales à vapeur variés : dans la séance S26, on étudie le cycle le plus simple. La séance S27 complète la précédente, en introduisant une réchauffe et un prélèvement. La séance S28 permet d'établir le bilan exergétique de la machine.

 Il n'y a pas de fiche-guide de TD traitant des centrales à vapeur à proprement parler, mais plusieurs fiches-guides en mettent en jeu :

• la fiche-guide FG1 Modélisation d'une centrale solaire thermodynamique  qui utilise l'eau comme fluide

• la fiche-guide FG3 Etang solaire qui utilise de l'ammoniac comme fluide thermodynamique

• la fiche-guide FG5 Cycles OTEC fermé et ouvert qui utilise de l'ammoniac (de l'eau pour le cycle ouvert) comme fluide

Un guide de prise en mains vous permet tout d'abord de vous initier à la modélisation d'une centrale à vapeur dans Thermoptim.

Les modules ExpliSite vous proposent des explorations virtuelles guidées des cycles de centrales à vapeur , avec des liens vers des explications théoriques, technologiques, méthodologiques... Ils présentent trois niveaux de difficulté croissante, dont le premier correspond aux connaissances qui ont été introduites au cours de la première étape du module d'auto-formation aux systèmes énergétiques, et les deux suivants à celles de la deuxième étape.

Ces explorations virtuelles sont réellement des activités en ce sens que vous êtes systématiquement incité à tester votre compréhension grâce à des reformulations, des demandes d'extraction d'informations qualitatives ou quantitatives pour renseigner des formulaires, répondre à des questions, effectuer des calculs de bilans…

Nous vous conseillons donc, si vous avez le temps, d'étudier les différents  niveaux du module ExpliSite sur les centrales à vapeur .

Nous  vous proposons  aussi quelques exercices  pour développer votre capacité de modélisation avec Thermoptim. Les énoncés étant très succincts, le schéma de l'installation est fourni dans chaque cas. Les corrigés sont accessibles aux enseignants authentifiés. Une fois le modèle établi, vous pouvez faire des études de sensibilité pour analyser l'influence des différents paramètres sur les performances des cycles.