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Le cycle de la vapeur dans l’Industrie sucrière de betteraves en France

par M. Denis Denis

Cette description est la suite naturelle de la notice concernant l’utilisation du charbon dans cette même Industrie.

 

I – Rappel sur les avantages énergétiques de la vapeur d’eau :

La vapeur d’eau est un gaz très simple à produire, puisqu’il suffit de faire bouillir de l’eau pour l’obtenir. La première qualité de ce gaz est que son pouvoir d’expansion est considérable. Plus la pression est élevée, plus il est chaud et plus grandes sont ses performances.
Dans l’industrie sucrière, on a commencé par des caractéristiques très modestes :
-       Pression de 2Kg par cm2,
-       Température de 120°.
Avec le temps, ces paramètres ont monté en puissance, pour arriver aux caractéristiques d’une sucrerie comme Marle-sur-Serre en 1986 avec :
-       Timbre de la chaudière à charbon : 94 bar.
-       Pression de service : 82 bar.
-       Débit de vapeur : 55T/h
-       Température de la vapeur surchauffée : 500°
-       Puissance de la turbine du turboalternateur : 9500KW


(NDLR : le timbre d’une chaudière est la pression mesurée au point le plus haut du dôme d’ébullition. Cette zone est généralement pourvue d’une soupape de sécurité plombée dont la limite de déclenchement représente la valeur du timbre annoncé.
L’auteur utilise ici deux unités de mesure de pression, couramment pratiquées dans cette technologie, le Kg/cm2 et le bar. Rappelons que l’unité officielle est le Pascal. 1 bar équivaut à 105 pascals et, en première approximation à 2% près, à 1Kg/cm2).

Pour information :

1 - Chez un grand constructeur français, qui a développé, pour son marché, des grandes centrales électriques à flamme, on trouve un concept que l’on appelle : Cycle de vapeur « supercritique » :
-       Pression : 350 bar
-       Température : 650°
-       Puissance utile : 800MW
-       Combustible : charbon

2 – Caractéristiques d’une locomotive courante de la SNCF, la 141-C construite en 1923 :
-       Pression : 14 bar
-       Température 120°
-       Puissance 1700 ch. (1ch = 735,5W) = 1250KW
-       Combustible : charbon puis fioul lourd.

II –Transformation de l’énergie cinétique et calorifique de la vapeur d’eau en énergie mécanique, dans les sucreries.

Cette conversion de l’énergie s’effectue au travers de machines à vapeur alternatives, horizontales ou verticales au début, puis dans des turbines.

1 - Machines à vapeur alternatives :
Les machines à vapeur alternatives vont centraliser leurs puissances mécaniques dans des ateliers spécifiques. Ce sont, par exemple : la râperie, la manutention des betteraves et des pulpes. D’autres machines à vapeur, plus petites, sont attelées en direct, sur des pompes à gaz, des pompes à vide, des monte-jus et autres.
Le cycle de ces machines est à contre-pression, c’est-à-dire qu’à l’échappement des cylindres, il reste encore une grande quantité d’énergie calorifique qui est utilisée pour réchauffer le premier corps de l’évaporation.
Dans les machines à vapeur alternatives, on distingue deux types de disposition des cylindres :
-       La machine à vapeur horizontale, en général monocylindre dont la vitesse de rotation ne dépasse pas 100 tours/minute.
-       Les machines à vapeur verticales, dites machines-pilon, en général à deux et parfois trois cylindres, toujours à cycle à contre-pression. Ces machines tournent à environ de 180 à plus de 300 tours/minute.

2 – L’électricité :
Après la découverte de l’électricité, on a commencé à atteler des dynamos, puis des alternateurs à la machine principale de la sucrerie. Lorsque l’énergie électrique commence à s’affirmer, au début du XXe siècle, on voit apparaître des groupes électrogènes à vapeur, constitués d’une machine à vapeur monocylindre couplée en direct à un grand alternateur à 72 pôles qui fait partie intégrante du bâti.

Comme variante, on trouve des groupes électrogènes constitués d’une machine à vapeur verticale multicylindre couplée à un alternateur à 16 pôles de diamètre moindre.

En parallèle, arrive la turbine à vapeur, moins encombrante, moins lourde et surtout d’un meilleur rendement. Les machines à vapeur classiques vont cohabiter un certain temps avec les turbo-alternateurs dans les centrales électriques des sucreries françaises.

3 – Les turbines à vapeur :
Il existe sur le marché une très grande variété de turbines à vapeur. Nous porterons notre attention sur les types de turbines les plus utilisées dans l’industrie sucrière.
-       Les turbines à action ou à réaction, attelées directement à un alternateur bipolaire et tournant à 3000 tours/minute.
-       Les turbines à action ou réaction à grande vitesse et tournant à environ 100 000 tours/minute. Elles sont attelées à un réducteur de vitesse dont la sortie à 1500 tours/minute entraîne un alternateur tétrapolaire.
-       La turbine LJUNGSTRÖM, à deux étages contrarotatifs, entraînant chacun l’inducteur d’un alternateur bipolaire et tournant à 3 000 tours/minute. Ces turbo-alternateurs ont, peut-être, été les plus nombreux dans les sucreries françaises. Un élément de ce type est décrit dans l’article sur « les énergies » de cette même rubrique. L’ASSF se propose d’exposer une turbine de ce type dans la salle des machines, lorsqu’elle aura été restaurée (voir photo ci-dessous).

Pour en savoir plus : http://fr.wikipedia.org/wiki/Machine_à_vapeur

Turbo alternateur

Turboalternateur Sautter-Harlé de la sucrerie d'Epenancourt, actuellement en dépot à Francières. © ASSF & D. Denis

III Schémas simplifiés de la distribution de la vapeur dans la sucrerie :

1 – Schéma avec machines à vapeur horizontales alternatives et machines à vapeur verticales « pilon » alternatives :
Machine 1

2 – Schéma avec turbine à vapeur :




3 – Diagramme d’une machine à vapeur horizontale, cycle à contre-pression et distribution par pistons valves :


Machine 3

4 – Diagramme d’une machine à vapeur verticale pilon entraînant directement un alternateur :

Machine 4

5- Diagramme d’un groupe électrogène à vapeur :

Machine 5

Descriptif du groupe électrogène : c’est une machine mono cylindre, à simple détente et à contre-pression. Pression 15 bar, température 250°, vitesse de rotation 83,3 tours/minute. La puissance est d’environ 600ch (45 0 KW). Alternateur 72 pôles, triphasé à 380V entre phases, puissance 450KW électriques. La roue polaire de l’alternateur, relativement conséquente, fait office de volant d’inertie.


6 – Les principaux constructeurs français de machines à vapeur horizontales alternatives :
-       l’Alsacienne de constructions mécaniques
-       Cail
-       Dujardin
-       Fives-Lille
-       Schneider



IV Les turbines à vapeur dans les sucreries :

Machines 6

1 - Différences entre une turbine à action et une turbine à réaction :

Dans une turbine à action, les tuyères d’injection envoient les jets de vapeurs directement sur le premier étage mobile de la turbine. La détente de la vapeur se poursuit dans les autres étages jusqu’à l’échappement.

Dans une turbine à réaction, les jets de vapeur sont dirigés sur le premier aubage fixe. Et c’est la réaction des jets redressés qui actionne le premier étage mobile de la turbine, et ainsi de suite, jusqu’à l’échappement.

Il existe de turbines à vapeur qui peuvent être, à la fois, à action et à réaction. Dans bon nombre d’entre elles, la première roue est à action et les suivantes à réaction.

2 – Diagramme des turbo-alternateurs en sucreries et distilleries :

Machine 7

3 – diagramme d’un turbo-alternateur à turbine LJUNGSTRÖM :
Dans cette machine, chaque alternateur a sa propre turbine qui sont imbriquées et qui tournent en sens opposé.
La vapeur est introduite au centre des deux turbines et s’échappe en périphérie de celles-ci.

Machine 8

 

4 – Principaux constructeurs français de turbines et d’alternateurs :
   Turbines                                                    Alternateur
Alsthom                                                         Alsthom
                     Fives-Lille                                    Compagnie Electro-Mécanique
Schneider                                                     Bréguet
             Rateau                                              Jeumont-Schneider



V Les économies d’énergie en sucreries et distilleries :

On note l’apparition, dans les années 1855, de l’évaporation à basse température et à effet multiple, sous vide, qui a permis des économies de 40% à 60%sur le combustible.
Avec les progrès de la thermodynamique, on a encore amélioré les économies d’énergie en appliquant le thermocompression et la recompression mécanique de la vapeur dans le process de l’atelier d’évaporation.

1- Schéma simplifié de la thermocompression :

Machine 9

Ce dispositif simple permet de rendre de l’énergie à la vapeur aspirée dans le premier corps, de l’accélérer de 0,95 bar à 1,5 bar environ à 150° et de chauffer les corps suivants de l’évaporation.

2 – Recompression mécanique de la vapeur (RMV)
Dans la RMV, la force motrice de la vapeur vive, produite par une chaudière auxiliaire, est remplacée par une turbine alimentée en vapeur Haute pression (HP) provenant de la chaudière principale. Celle-ci entraîne un compresseur centrifuge, qui fait le même travail que la trompe du thermocompresseur (voir aussi le schéma précédent).

Machine10

3 – La recompression mécanique de la vapeur (RMV) électrique :
À une certaine époque, dans les années 1980, les fournisseurs d’énergie électrique offraient à l’industrie sucrière des tarifs très attractifs, en période d’été et même pendant la campagne sucrière, de Septembre à Novembre. Ces nouvelles dispositions ont permis à certaines sucreries françaises de s’équiper de RMV utilisant l’énergie électrique.

Diagramme d’une RVM électrique :
Machine 11

Ci-dessus : Diagramme d’une RVM Bi-énergie

La RVM bi-énergie a été proposée par l’industrie électromécanique française à l’industrie sucrière. Cette technologie novatrice pouvait être très avantageuse, en face des propositions tarifaires extrêmement intéressantes, imaginées par les fournisseurs d’énergie électrique.



VI En conclusion : Et demain ! à quelle évolution doit-on s’attendre?

Avec ses 25 sucreries restant en activité, en France, une rupture technologique radicale dans la conversion de l’énergie ne semble pas à l’ordre du jour.
Mais quelques fois, les choses changent ! Avec la chimie verte, on peut produire des bio-gaz ou des bio-carburants qui alimenteront des turbines à gaz, couplées à des chaudières à récupération et fonctionnant en co-génération.
Mais, face au gaz naturel, il y a le problème du pouvoir calorifique des néo-carburants !

Actuellement, une importante Sucrerie-Distillerie de Champagne-Ardennes utilise, en complément de ses installations traditionnelles, une turbine à gaz de 4800KW, alimentée au gaz naturel. Elle est associée à une chaudière à récupération qui produit 30T/h de vapeur à 350°, sous 26 bar. Cet ensemble entraîne un turbo-alternateur à contrepression, fournissant 1600KW électriques.

Denis Denis
Août 2013



Quelques illustrations significatives :

Machine 12

Photo : Office de tourisme de Châtillon-Coligny (45230).

Cette machine Dujardin de 1906 a été livrée neuve aux Ets Meunier-Frères à Paris. Elle a été achetée ensuite en 1943 par la Distillerie de Sainte-Geneviève-des-Bois.
Elle a fait sa dernière campagne en 1967.

Sa puissance était de 250Ch à 98 tours/minute, sous une pression de 8 Kg/cm2.

Turbo Eclaron

Photo :  D. Denis

Salle des turboalternateurs de la distillerie d'Eclaron.
Au fond, 2 turbo Alsthom de 750 KVA environ.
Au premier plan, une partie d'un turbo de marque David-Brown.

Photo : Gec Alsthom.

Groupe turboalternateur à contrepression, série TM.

Compresseur

Photo : Gec Alsthom.

Compresseur de vapeur monocellulaire.