Brevet FR2217546A1 — publié le 19740906

L'objet de cette invention est une installation de l'accumulation d'énergie par air comprimé améliorez par l'adjonction au flux fondamental d'air de la turbine à gaz d'un flux des gaz brûlés, extraits de la turbine de détente et qui circule en circuit fermé. L'accumulation d'énergie par air comprimé est connue et consiste en principe en séparation de la compression de la détente. Cela signifie qu'au lieu d'envoyer l'air comprimé par le compresseur directement dans la turbine, comme cela se fait dans une turbine conventionnelle, on l'envoie dans un réservoir dans lequel il s'accumule et reste aussi long temps que cela est nécessaire, Ensuite. dans les heures pleines et de pointe, on utilise l'air accumulé du réservoir dans la turbine, le compres seur étant alors arrêté.De cette manière la puissance de la turbine devient deux et demi à trois fois plus grande que celle que cette Znme turbine damnerait comme turbine conventionnelle, c'est-à-dire en fournis- sant en meme temps la puissance utile et la puissance absorbé par le compresseur. L'installation connue a le désavantage d'exiger un réservoir b air comprimé d'un volume considérable et d'avoir un rendement relativement peu élevé, surtout si on n'applique pas la variante optimalisés. L'installation selon $l'invention est composée des mêmes éléments que l'installation connue, à cela près que la turbine de détente est composée de deux partie à débits différents, l'une à haute pression et l'autre b basse pression, ou de deux turbines en série, à haute et basse pression, à débit différent. En outre, dans l'installation selon l'invention est adjoint un flux supplé- mentaire des gaz brûlés extrait de la partie terminale à haute pression de la turbine de dtente, qui circule en circuit fermé, Celui-ci est form par la sortie de la partie à haute pression de la turbine @ dtente, la partie basse pression d'un récupérataur, par un réfrgéRant, un compresseur qui assure la circulation du flux supplémentair dans le circuit du flux supplémentaire dans le circuit fermé relève sa pression, préalablement baissée dans la partie à baute pressien de la turbine de détante, à @a pressien primitive. formé ensuite par le côté hauta pression du dit récupérateur, une chambre de combustion et se termine par la hauts pression de la turbine de détante. Dans celle-ci, donc, se détendent simultanément les deux flux, le flux fondarnental d'air et le flux supplémentaire des gas brûlés. Toutes les machines. l'ensemble de compresseurs d'air au moyen duquel on remplit le résevoir à air comprimé, la turbine de détente et le coopresseur dn circuit fermé, sont installés sur la même ligne d'arbrs. Mais slternativement l'ensemble de compresseurs peut être monté aussi sur un arbre séparé, avec son metsur d'entrafnement, si cela convient mieux seles les circonstances. Le dessim a@@@xé, avec les figures l et 2, représente, à t@@e d'exemple, deux installatiems, obejets de l'invention. Sur la figure la ent représentée une installation avec un régervoir à air cermprimé à pressiem constants. Par 1 et 2 est désigné une turbine de détente compesée de deux partias, l'une à baute pression et l'autre à basse pressien : 3 est la chambre de cembustion. 4 le récupérateur de chaleur, 5 le réfrgérant dans le cireuit fermé, 7 le réservedr à air comprimé à pressiem comstante, S, 9 et 10 sont les trois cempresseurs d'air du flux fomdanantal d'air, II et 12 dent les embrayages débrayabies au myten desquels ca paut employer l'a'ternateur synchrene comme moteur pour entrafner l'ensenbie de cempresseurs, 15 est le combustible de prééérence gageux, 13, 14 et 21 sont les soupapes an meyen desquelles on peut faire foncticnner l'installation en détante pour production de Fénergie, en compression pour remplissage du réserveir ou en tarbine cenventiennelle, sans accumulation d'énergie. Sur la figure 2 est représentée une installation selen l'invention aves un réesrveir à air comprimé à volume constant, Celle-ci diffère de la précédente en ce que la pressiem dase le réservoir peut être au-dessus de la pressien pour laquelle la constractien d'une chambre de cembustien est ac@@llernest passible, par emernple an-dessus de 25 b. mais peut aller jasqu'aux pressiens très élevées d'enviren 150 b. Elle diffère aussi par l'adjonction du récupérateur 17. installé à la sortie à basse pression de la turbine de ddtente, au moyen duquel s'échauffe l'air sortant du réservori 7, avant de se détendre dans b turbine 18 montée sur l'arbre commun des autres machines, Finalement elle diffère encore en ce que l'ensemble de compresseurs d'air est entrainé par un moteur séparé 20, de sorte que les embrayages ll et 12 de la figure 1 deviennent superflus. L'installation selon l'invention réalise de grands avantages, à savoir : - le vohime du réservoir à air comprimé, pour une même puissance, est réduit d'environ 50 % - le rendement est sensiblement augmenté. Dans l'exemple que nous allens considérer, il est de 34,4 % pour une instation connue de l'accumu lation par air comprimé, optimalisée, tandis qu'il est pour l'installatlon améliorés selon l'invention 40,6 7., sans que optimalisation y soit appliquée. - la puissance unitaire maximum est approximativement doublée et devient 750 MW au lieu de 380 MW, pour un ddbit d'air de 550 kg/s. qui est admissible aujourd'hui pour les turbine k gai. - l'installation selon l'invention possède aussi, du point de vue de la mise en marche rapide et des changements brusques de charge, les qualitée excellentes de l'installation connue de l'accumulation par air comprimé. Afin que ce qui vient d'être dit soit plus clair, nous allons faire la comparaison d'une installation connue de l'accumulation par air comprimé avec une installation améliorée selon l'invention, envisagées toutes les deux sur la base des mimes données. Installation connue de 250 MW Installation selon l'invention de 250 MW Pression à l'entrée de la détente 25 B 25b Nombre de compresseurs d'air avec deux réfrigérations 3 3 Température à l'entrée de la détente 850 C 850 C Installation selon Installation connue de 250 MW l'invention de 250 MW kg d'air par kWh 5, 25 kg/kWh 2, 64 kg/kWh Consommation dans la chambre de combustion 1.000 kcal/kWh 1.520 kcal/kWh Consommation spécifique moyenne des centrales du réseau 2.200 kcal/kWh 2.200 kcal/kWh Consommation totale 2 32G kcal/kWh 2.140 kcal/kWh réservoir Volume dv pour 6 heures de fonctionnement à pleine charge 288, 000 m3 145.000 m3 Puissance de l'ensemble des compresseurs d'air 150 MW 75 MW Puissance du compr.du circuit fermé 0 95 MW Puissance en fonctionne~ ment convent, 100 MW 175 MW Puissance unitaire maximum possible sur la base des résul- tats ci-dessus et d'un débit de 550 kgjs 380 MW 750 MW tette comparaison montre les grandes améliorations en rendement de l'installation, et la réduction considérable du volume du réservoir à air comprimé et l'augmentation possible de la puissance unitaire maximale. I1 est important de remarquer que pour l'installation selon l'invention la construction des compresseurs et des turbines ainsi que des autres éléments est basée sur la technolo@ie déjà appliquée avec succès dans l'industrio. Les résultats du fonctionnement de l'installation selon l'invention sont d'autant meilleurs que l'excès d'air dans la chambre de combustion est moindre. Cet excès doit etre au minimum de 10 %. Pour faire une optimalisation de l'installation selon l'invention, on peut agir sur la pression et la température d'entrée de la turbine de détente, et aussi sur le débit et le rapport de détente du flux supplémentaire circulant dans le circuit fermé. En adoptant la température d'entrée dans la turbine, par exemple, de 900 C et quatre compresseurs en série pour la compression d'air, on arrive par l'optimalisation même à un rendement de 44 % environ. I1 faut employer comme combustible de préférence le gaz naturel, mais aussi des combustibles liquides appropriés. Le rendement de 44 % signifie que l'installation à accumulation restitue au rése@u l'énergie consommée pour le compression avec une perte de 3 % environ, et que les calories du combustible employé sont tranc- formées en énergie électrique avec un rendement de 44 %. Il est avantageux d'employer cette invention dans tous les cas d'accumulation d'énergie par air comprimé avec des réservoirs soit à pression constante, soit A volume constant, Aussi, vu le rendement trEs élevé pouvant aller jusqu'à 44 %, pour la production de l'énergie de base on fonctionnement conventionnel sans accumulation d'énergie. Il est même possible d'employer ce genre d'installation en @onctionnement conventionnel la place des gros moteur Diesel utilisés pour la propulsion sur les bateaux. Dans des cas d'installations avec des réservoirs à volume constant creusés dans des gisements de sel ou formés dans des couches souterraines aquifaret, l'application de l'installation selon l'invention est aussi très avantageuse, Et enfin, pair la production de l'nergie non seulement pour les pointes mais aussi pour les heures pleines, l'installation selon l'invention donne des résultats meilleurs que n'importe quel autre genre d'installation pour la production d'énergie. REVENDICATIONS 1. Installation améliorée de l'accumulation d'énergie par air comprimé a@ant un dispositif de compression, un dispositif de détente, et un réservoir à air comprimé, caractérisée en ce qu'au flux fondamental d'air, qui est dirigé du réservoir 7, où il à été accunoulé, vers la turbine de détente composée d'une partie à haute pression 1 et d'une partie à basse pression 2, dont les ddbits sont différents est adjoint un flux supplémentaire des gaz bruûlée, extrait à l'extrémité de la partie à haute pression i de la turbine de ditente, qui circule en circuit fermé, traversant le récupérateur 4 du côté basse pression, le réfri gérant 5, le compressur 6 qui relèvs sa PRESSIon, baissée préala blement dans la partie 1 de la turbine de détente, devant la chambre de combustion au niveau de la pression du flux fondamental d'air, traverse ensuite le récupérateur 4 du côté à haute pression, la chambre de combustion 3 et fermant finalement ce circuit fermé par la parte b haute pression l de la turbine de détente, se détendant ainsi simulta nément avec le flux fondamental dans la partie B haute pression de la turbine de détente. 2. Installation suivant la revendication 1, caractérisée en ce que l'air comprimé du réservoir 7, avant d'entrer dans la chambre de combustion 3, s'échauffe dass le récupérateur 17, install à la sortie de la turbine de détente à basse pression 2, et se détand dans la turbine 18, qui est placée sur le nofme arbre avec les autres machines, jusqu'à la pression qui régne dans lachambre de combustlon 3. 3. Installation améliorée suivant les revendications 1 et 2 ci-dessus, caractérisée par l'installation d'une chambre de combustion, ailmentée par de l'air cemburant, à l'entrée de la partie basse pressien 2 de la turbine de détente, servant a l'augmentation de la température dans la récupérateur 17.