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Importance du design dans une chaudière de récupération d’un cycle combiné gaz

L'un des gros atouts d'une unité de production électrique avec une turbine à gaz est qu'elle peut démarrer très rapidement, faire varier la puissance facilement et fonctionner sur la production de pointe avec de nombreux arrêts/démarrages. Cela impose aux constructeurs de prévoir une conception adéquate des installations pour éviter les surprises. Beaucoup d'efforts se sont portés sur le design des éléments de la turbine à gaz afin que les aubes puissent résister aux contraintes de température (voir ce précédent article).

Dans le cas d'un cycle combiné gaz, la chaudière de récupération qui se situe à l'aval de la turbine a gaz doit elle-aussi pouvoir supporter les contraintes liées aux besoins de souplesse de la production électrique. Ainsi, les différents échangeurs qui composent une chaudière de récupération doivent être conçus pour minimiser les contraintes thermiques subies en périodes transitoires telles que les arrêts et démarrages. Voyons desquels il s'agit. Rappelons les différents échangeurs, leur nom et leur position.

Quelles sont ces contraintes et où s'exercent-elles ?

Lorsqu'une unité est amenée à démarrer souvent, la fatigue thermique peut remettre en cause la longévité des éléments qui la composent. Les contraintes sont faibles mais elles sont répétées et conduisent à une modification progressive et localisée de certaines propriétés. La fissuration d'un tube peut alors apparaître. La fatigue thermique est la 2e cause la plus fréquente de ruptures de tubes dans les chaudières de récupérations (après la FAC dont nous avions parlé dans un article précédent ICI).

Ce problème se présente surtout au niveau des surchauffeurs et notamment au point de connexion tube/collecteur ou au point bas de boucles lorsque des condensats (formés lors des démarrages) ne sont pas correctement drainés. Certaines configurations, dans le choix du design, permettent de minimiser ces risques. Au contraire, d'autres sont à proscrire.


Il faut garder à l'esprit qu'au sein de panneaux de tubes dans un surchauffeur, des tubes voisins peuvent être soumis à des températures différentes : les tubes plus proches du point d'entrée étant plus chauds que pour ceux des rangs situés plus en aval vont se dilater plus fort. Si la conception ne permet pas le libre mouvement de chacun des tubes, de fortes tensions apparaissent.


NB : au démarrage, les débits de vapeur est moins bien établi : le problème de dilatation différentielle est vraiment plus marqué.



Lorsque plusieurs rangées de tubes rejoignent le même collecteur, la dilatation différentielle n'est pas prise en compte et le collecteur du bas doit absorber de nombreuses contraintes dues aux tubes qui provoquent compression et flexion : les zones sensibles se situent donc surtout au niveau du point d'entrée des tubes dans la collecteur.

Finalement, toute conception qui confère le maximum de degrés de liberté aux tubes (un collecteur par rangée de tube et un mouvement vertical non restreint), doit être privilégiée pour s'assurer de la longévité de l'installation.

Référence : "Designing HRSGs for cycling", Power, 15/03/2006





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