Génération thermique

Définition de la centrale thermique

Une centrale thermique est définie comme une installation qui génère de l'électricité en utilisant l'énergie thermique, principalement provenant de la combustion du charbon, pour produire de la vapeur qui entraîne des turbines.

Théorie de la centrale thermique

La théorie des centrales thermiques est simple. Ces installations utilisent des turbines à vapeur connectées à des alternateurs pour générer de l'électricité. La vapeur est produite dans des chaudières à haute pression.

Généralement en Inde, le charbon bitumineux, le lignite et la tourbe sont utilisés comme combustible pour la chaudière. Le charbon bitumineux utilisé comme combustible pour la chaudière a une teneur en matière volatil de 8 à 33 % et une teneur en cendres de 5 à 16 %. Pour augmenter l'efficacité thermique, le charbon est utilisé sous forme de poudre dans la chaudière.

Dans une centrale thermique au charbon, la vapeur est produite à haute pression dans la chaudière à vapeur en raison de la combustion du combustible (charbon pulvérisé) dans les fours de la chaudière. Cette vapeur est ensuite surchauffée dans un surchauffeur.

Cette vapeur surchauffée entre ensuite dans la turbine et fait tourner les pales de la turbine. La turbine est mécaniquement couplée à un alternateur de telle sorte que son rotor tournera avec la rotation des pales de la turbine.

Lorsque la vapeur entre dans la turbine, sa pression diminue rapidement, provoquant une augmentation du volume de la vapeur.Après avoir transmis de l'énergie au rotor de la turbine, la vapeur sort des pales de la turbine et entre dans le condenseur.Dans le condenseur, l'eau froide est circulée à l'aide d'une pompe qui condense la vapeur humide à basse pression.

Cette eau condensée est ensuite alimentée dans un chauffe-eau à basse pression où la vapeur à basse pression augmente la température de cette eau d'alimentation ; elle est à nouveau chauffée à haute pression.Pour mieux comprendre, décomposons les étapes de fonctionnement d'une centrale thermique :

• Tout d'abord, le charbon pulvérisé est brûlé dans le four de la chaudière à vapeur.

• De la vapeur à haute pression est produite dans la chaudière.

• Cette vapeur est ensuite passée dans le surchauffeur, où elle est davantage chauffée.

• Cette vapeur surchauffée est ensuite introduite dans une turbine à grande vitesse.

• Dans la turbine, la force de cette vapeur fait tourner les pales de la turbine, ce qui signifie que dans la turbine, l'énergie potentielle stockée de la vapeur à haute pression est convertie en énergie mécanique.

Schéma de la centrale électrique

Après avoir fait tourner les pales de la turbine, la vapeur a perdu sa haute pression, sort des pales de la turbine et entre dans un condenseur.Dans le condenseur, l'eau froide est circulée à l'aide d'une pompe qui condense la vapeur humide à basse pression.

Cette eau condensée est ensuite alimentée dans un chauffe-eau à basse pression où la vapeur à basse pression augmente la température de cette eau d'alimentation, elle est ensuite à nouveau chauffée dans un chauffe-eau à haute pression où la haute pression de la vapeur est utilisée pour le chauffage.La turbine dans la centrale thermique agit comme moteur principal de l'alternateur.

Vue d'ensemble de la centrale thermique

Une centrale thermique typique fonctionne sur un cycle qui est montré ci-dessous.

Le fluide de travail est l'eau et la vapeur. Cela s'appelle le cycle de l'eau d'alimentation et de la vapeur. Le cycle thermodynamique idéal auquel le fonctionnement d'une centrale thermique ressemble fortement est le cycle de Rankine.

Dans une chaudière à vapeur, l'eau est chauffée par la combustion du combustible dans l'air dans le foyer, et la fonction de la chaudière est de fournir de la vapeur sèche surchauffée à la température requise. La vapeur ainsi produite est utilisée pour entraîner les turbines à vapeur.

Cette turbine est couplée à un générateur synchrone (généralement un alternateur triphasé synchrone), qui génère de l'énergie électrique.

La vapeur d'échappement de la turbine est autorisée à se condenser en eau dans le condenseur de vapeur de la turbine, ce qui crée une aspiration à très basse pression et permet l'expansion de la vapeur dans la turbine à très basse pression.

Les principaux avantages de l'opération de condensation sont l'augmentation de l'énergie extraite par kg de vapeur, ce qui augmente l'efficacité, et le condensat qui est réintroduit dans la chaudière réduit la quantité d'eau d'alimentation fraîche.

Le condensat, ainsi qu'une partie d'eau d'alimentation fraîche, est à nouveau alimenté dans la chaudière par une pompe (appelée pompe d'alimentation de la chaudière).

Dans le condenseur, la vapeur est condensée par de l'eau de refroidissement. L'eau de refroidissement est recyclée à travers la tour de refroidissement. Cela constitue un circuit d'eau de refroidissement.

L'air ambiant est autorisé à entrer dans la chaudière après filtration des poussières. De plus, les gaz de combustion sortent de la chaudière et sont évacués dans l'atmosphère via des cheminées. Ces éléments constituent les circuits d'air et de gaz de combustion.

Le flux d'air et la pression statique à l'intérieur de la chaudière à vapeur (appelée tirage) sont maintenus par deux ventilateurs appelés ventilateur de tirage forcé (FD) et ventilateur de tirage induit (ID).Le schéma total d'une centrale thermique typique, y compris les différents circuits, est illustré ci-dessous.

À l'intérieur de la chaudière, il existe divers échangeurs de chaleur, tels que l'économiseur, l'évaporateur (non montré dans la figure ci-dessus, il s'agit essentiellement des tubes d'eau, c'est-à-dire le circuit montant descendant), le surchauffeur (parfois un réchauffeur, un préchauffeur d'air peuvent également être présents).

Dans l'économiseur, l'eau d'alimentation est chauffée considérablement par la chaleur résiduelle des gaz de combustion.Le tambour de la chaudière maintient une tête pour la circulation naturelle d'un mélange diphasique (vapeur + eau) à travers les tubes d'eau.Il y a également un surchauffeur qui prend également de la chaleur des gaz de combustion et augmente la température de la vapeur selon les besoins.

L'efficacité de la centrale thermique ou de la centrale

L'efficacité globale de la centrale thermique est définie comme le rapport de l'équivalent calorifique de la production électrique à la chaleur de combustion du charbon. L'efficacité globale d'une centrale thermique varie de 20 % à 26 % et dépend de la capacité de la centrale.

Avantages de la centrale thermique

Les avantages d'une centrale thermique incluent :

• Économique avec un coût initial faible par rapport à tout autre type de centrale de production.

• Nécessite moins de terrain qu'une centrale hydroélectrique.

• Le charbon étant le principal combustible et son coût étant assez bon marché par rapport au pétrole ou au diesel, le coût de production est économique.

• L'entretien est plus facile.

• Les centrales thermiques peuvent être installées dans n'importe quel endroit où le transport et une grande quantité d'eau sont disponibles.

Inconvénients de la centrale thermique

Les inconvénients d'une centrale thermique incluent :

• Le coût de fonctionnement d'une centrale thermique est comparativement élevé en raison du combustible, de la maintenance, etc. 

• Une grande quantité de fumée cause la pollution de l'air. La centrale thermique est responsable du réchauffement climatique.

• L'eau chauffée provenant des centrales thermiques a un effet néfaste sur les organismes aquatiques et perturbe l'écologie.

• L'efficacité globale de la centrale thermique est faible, comme moins de 30 %.