Techniques d'amélioration de l'efficacité du cycle de Rankine
Les centrales à vapeur restent le pilier de la production totale d'électricité en Asie-Pacifique. Ainsi, même une petite amélioration sous forme d'augmentation de l'efficacité a un effet considérable sur l'économie de carburant et également sur la réduction des émissions de gaz à effet de serre.
Il ne faut donc pas manquer aucune opportunité pour trouver les moyens d'augmenter l'efficacité du cycle de puissance à vapeur.
L'idée derrière toute amélioration ou modification est d'augmenter l'efficacité thermique de la centrale électrique. Ainsi, les techniques d'amélioration de l'efficacité thermique sont :
En diminuant la température moyenne à laquelle la chaleur est rejetée par le fluide de travail (vapeur) dans le condenseur. (Baisse de la pression du condenseur)
En augmentant la température de la vapeur entrant dans la turbine
Baisser la pression du condenseur
La vapeur quitte la turbine et entre dans le condenseur sous forme de mélange saturé, conformément à la pression correspondante de la vapeur dans le condenseur. La réduction de la pression du condenseur aide toujours à fournir plus de travail net dans la turbine, car une expansion plus grande de la vapeur dans la turbine est possible.
Avec l'aide du diagramme T-s, on peut voir et comprendre l'effet de la baisse de la pression du condenseur sur les performances du cycle.
Effets positifs de la réduction de la pression du condenseur
Pour profiter d'une efficacité supérieure, le cycle de Rankine doit fonctionner à une pression de condenseur inférieure à l'atmosphérique. Mais la limite pour une pression de condenseur inférieure est définie par la température de l'eau de refroidissement correspondant à la pression de saturation de la zone.
Dans le diagramme T-s ci-dessus, on peut facilement voir que la zone colorée représente l'augmentation du travail net en sortie due à la réduction de la pression du condenseur de P4 à P4’.
Effets négatifs de la réduction de la pression du condenseur
L'effet de la réduction de la pression du condenseur n'est pas sans effets secondaires. Voici donc les effets indésirables de la réduction de la pression du condenseur :
Apport calorifique supplémentaire dans la chaudière en raison de la diminution de la température de recirculation du condensat (effet de la pression inférieure du condenseur)
Avec une pression de condenseur plus faible, la possibilité d'augmentation du taux d'humidité de la vapeur au stade final de l'expansion de la turbine augmente. La diminution du taux de séchage de la vapeur aux derniers stades de la turbine est indésirable car elle entraîne une légère diminution de l'efficacité et une érosion des pales de la turbine.
Effets nets de la réduction de la pression du condenseur
L'effet net global est davantage positif, car l'augmentation du besoin en apport calorifique dans la chaudière est marginale, mais l'augmentation du travail net en sortie est plus importante en raison de la diminution de la pression du condenseur. De plus, le taux de séchage de la vapeur aux derniers stades de la turbine n'est pas autorisé à descendre en dessous de 10-12 %.
Surchauffe de la vapeur à une température plus élevée
La surchauffe de la vapeur est le phénomène par lequel la chaleur est transférée à la vapeur pour la surchauffer à une température plus élevée en maintenant la pression constante dans la chaudière.
La zone ombrée dans le diagramme T-s ci-dessus montre clairement l'augmentation du travail net (3-3’-4’-4) en raison de l'augmentation de la température de surchauffe de la vapeur.
L'apport calorifique supplémentaire sous forme d'énergie quitte le cycle sous forme de travail, c'est-à-dire que l'augmentation du travail en sortie dépasse l'apport calorifique et la rejet de chaleur supplémentaires. L'efficacité thermique du cycle de Rankine augmente en raison de l'augmentation de la température de la vapeur.
Effets positifs de l'augmentation de la température de la vapeur
Un effet souhaitable de l'augmentation de la température de la vapeur est qu'elle n'autorise pas le pourcentage d'humidité de la vapeur au dernier stade à augmenter. Cet effet peut être facilement observé sur le diagramme T-s (Fig : 2) ci-dessus.
Effets négatifs de l'augmentation de la température de la vapeur
L'augmentation de la température de la vapeur entraîne une légère augmentation de l'apport calorifique. Il y a une limite à laquelle la vapeur peut être surchauffée et utilisée dans le cycle de production. Ces facteurs limitants sont liés à la robustesse métallurgique à haute température et à la viabilité économique.
Actuellement, dans les unités de production supra-critique, la température de la vapeur à l'entrée de la turbine est d'environ 620oC. La décision d'augmenter davantage la température de la vapeur ne peut être prise judicieusement qu'après avoir effectué une diligence raisonnable en matière de métallurgie et une évaluation des implications financières.
Effets nets de l'augmentation de la température de la vapeur
D'après le diagramme T-s (Fig : 2), l'effet net de l'augmentation de la température est davantage positif, car le gain en travail net dépasse l'augmentation de l'apport calorifique et la légère augmentation du rejet de chaleur. Il est donc toujours bénéfique d'augmenter la température de la vapeur après avoir évalué la fiabilité et la viabilité économique.
Augmentation de la pression de la chaudière avec des paramètres sous-critiques
Une autre façon d'augmenter l'efficacité du cycle de Rankine est d'augmenter la pression de fonctionnement de la chaudière, et ainsi indirectement la température à laquelle se produit l'ébullition dans la chaudière. Ainsi, l'efficacité thermique du cycle augmente.
Avec l'aide du diagramme T-s, l'effet de l'augmentation de la pression de la chaudière sur les performances du cycle peut être clairement vu et compris.
En raison de l'augmentation de la pression de la chaudière, le cycle de Rankine se déplace légèrement vers la gauche comme indiqué dans la Fig : 3 du diagramme T-s, et il est possible d'en conclure ce qui suit :
Augmentation substantielle du travail net, comme indiqué dans la zone ombrée en rose du graphique ci-dessus.
Comme le cycle se déplace légèrement vers la gauche, il y a une diminution du travail net lors de l'expansion de la vapeur dans la turbine. (comme indiqué dans la Fig : 3 ci-dessus, ombrée en gris.
Réduction du rejet de chaleur vers l'eau de refroidissement dans le condenseur.
Ainsi, l'effet net est une augmentation marquée de l'efficacité thermique du cycle en raison de ces mesures.
Augmentation de la pression de la chaudière avec des paramètres supra-critiques
Afin d'augmenter l'efficacité thermique du cycle de Rankine, on utilise actuellement une pression supra-critique dans les générateurs de vapeur. Lorsque les générateurs de vapeur fonctionnent au-dessus de 22,06 Mpa, ils sont appelés générateurs de vapeur supra-critiques et la centrale est appelée centrale de production d'électricité supra-critique. En raison de leurs pressions de fonctionnement plus élevées, ces centrales sont connues pour offrir des efficacités plus élevées.
Cycle de Rankine à réchauffage intermédiaire
Cycle de Rankine à réchauffage intermédiaire permet de tirer parti d'une efficacité accrue du cycle à une pression de chaudière plus élevée, sans compromettre le taux d'humidité de la vapeur aux derniers stades de la turbine.
Une efficacité de cycle plus élevée est possible avec le cycle de réchauffage, cela sans compromettre le taux de séchage, ce qui est possible en expandant la vapeur dans la turbine en deux étapes, en la réchauffant entre-temps. Le réchauffage est une méthode pratiquement acceptable pour résoudre le problème d'humidité excessive aux derniers stades de la turbine.
