Le condenseur à air

Lorsque la vapeur quitte les derniers étages de la turbine, elle n’a plus assez d’énergie (faible pression, basse température), elle doit alors être condensée en liquide et être renvoyée dans le système. Dans les deux précédents articles, il était question de condenseurs classiques où la récupération de l'énergie contenue dans la vapeur qui se condense s'effectue par un second circuit d'eau indépendant (l'eau de circulation qui doit à son tour être refroidie généralement via des systèmes fermés à recirculation, c’est la technique de refroidissement par aéroréfrigérant). Les débits d'eau de circulation mis en jeu pour l'évacuation de la chaleur latente de condensation sont cependant considérables. Malgré un système de recirculation, les appoints d'eau nécessaires pour compenser les pertes par évaporation et par purges (purges nécessaires pour éviter une concentration trop importante en solides dissous) sont très importants.

Une autre technique est alors apparue sur le marché de façon à permettre le développement de nouveaux moyens de production électrique tout en cherchant à économiser les ressources en eau : le condenseur à air ou Air-Cooled Condenser (ACC). Alors parlons-en !

Le principe Le refroidissement sec permet de condenser la vapeur à l’échappement de la turbine par passage à l’intérieur de tubes ailetés, refroidis extérieurement par l’air ambiant. La circulation d’air est généralement assurée par des ventilateurs soufflants : c'est un tirage mécanique forcé.

Les faisceaux échangeurs sont répartis de part et d’autre des ventilateurs. L’ensemble se présente sous la forme d’une structure en A qui permet de maximiser l’échange eau/air et de récupérer les condensats dans la partie basse par écoulement gravitationnel. La vapeur à condenser est amenée par un collecteur d’alimentation situé sur la partie supérieure du système.

La performance du système

La performance du système est liée à la possibilité d'atteindre une température de condensation de la vapeur aussi basse que possible et ce, quelles que soient les conditions météorologiques extérieures. Dans un condenseur classique parcouru par une eau de circulation, c'est la température de l’eau froide à l’entrée du condenseur qui dicte la température de condensation de la vapeur. Plus l'eau est froide, plus basse sera la température de condensation, meilleur sera le vide au condenseur. Assorti d'une tour aéroréfrigérante, ce système est tributaire du phénomène d'évaporation : le paramètre limitant est la température humide de l’air ambiant. Voir cet article plus détaillé. On appelle approche, la différence de température entre l’eau refroidie et la température humide de l’air entrant. Généralement, l’approche est de 5°C. Plus l’approche est faible, plus la surface d’échange requise est élevée et plus la tour sera de grande taille.

Dans le cas d'un système de condensation sec (type ACC), c'est sur le phénomène de convection uniquement que repose l'évacuation de la chaleur : sa performance sera gouvernée uniquement par la température sèche de l’air ambiant.

Comparatif ACC et condenseur avec tour aéroréfrigérante

L'efficacité de la tour repose sur le paramètre de température humide tandis que celle de l'autre système repose sur la température sèche de l'air. En été, le système ACC est particulièrement victime des températures de l'air élevées et ce, beaucoup plus que le système avec tour aéro : la température humide étant toujours inférieure à la température sèche. En été, la perte de performance est modeste pour le refroidissement humide mais peut être substantielle pour le refroidissement sec.

D'après plusieurs retours d'expériences, il semble bien que les systèmes secs soient beaucoup également plus sensibles que les systèmes humides aux variations des conditions météo. Ceci s’explique par des variations journalières et saisonnières plus marquées de la température sèche que de la température humide.

La performance d’un ACC est également très fortement liée aux conditions de vent. Pendant des périodes particulièrement ventées, l’efficacité du système et la puissance des tranches est réduite. Le vent affecte la distribution d’air et la pression statique à l’entrée des ventilateurs ce qui modifie le débit et la température d’air à l’entrée. Certains ACC sont désormais équipés de jupes permettant de limiter les effets négatifs des vents.

Consommations d'un ACC Le grand avantage de cet équipement est sa faible consommation en eau. Certaines études font état d'une économie comprise entre 2.5 et 3 Mm3 d’eau par an. Néanmoins, l'ACC impose généralement une augmentation de la consommation des auxiliaires (fonctionnement des ventilateurs).

Quelques autres problèmes à prendre en compte La main d’œuvre pour le personnel d’entretien peut être importante : elle concerne le nettoyage des pâles du ventilateur, des ailettes des surfaces d’échange et le suivi du système de lubrification.

Enfin, on peut souligner que bon nombre d'installations équipées d'un condenseur à air ont montré des problèmes de corrosion. Ceux-ci concernent les collecteurs supérieurs du condenseur à air, les tubes d’entrée dans les conduites de distribution de vapeur.

Parmi les mécanismes mis en jeu pouvant expliquer ces dérives, sont évoqués :

• le phénomène de FAC diphasique (flow-accelarated corrosion) encore appelé « Erosion/corrosion » : la turbulence met à mal la couche d’oxyde protégeant les tubes

• Les premières gouttelettes déposées par condensation ont un pH plus bas (jusqu’à une baisse d’une unité, soit une acidité 10 fois plus élevée) que celui de la phase principale ; les gouttelettes formées coalescent pour former un film acide recouvrant l’intérieur du tube, ce qui accentue la corrosion.

Références

- W. Wurtz, R. Peltier, “Air-cooled condensers eliminate plant water use”, Power Septembre 2008 - R. B. Dooley et al., « EPRI’s Guideline on Chemistry for Fossil Units with Air-cooled Condensers », 9th International conference on Cycle Chemistry in Fossil and Combined Cycle plants with HRSG, Boston, Ma, July 2009 - J. Maulbetsch, M. DiFilippo, “Cost and Value Use at Combined-Cycle Power Plants”, Public Interest Energy Research Program, Avril 2006 - V. Gadhamshetty et al., “Improving Air-Cooled Condenser Performance in Combined. Cycle Power Plants”