Brevet FR2224642A1 — publié le 19741031

La présente invention concerne un procédé d1exploi- talion d'installations de centrale thermique et une installation pour la mise en oeuvre de ce procédé. On sait que les installations thermiques productrices d'énergie électrique sont prévues pour un régime optimal de fonctionnement 3eur assurant le rendement énergétique maximal avec la meilleure utilisation du combustible et un rejet minimal de déchets. I1 est cependant nécessaire que la production d'énergie électrique suive quotidiennement une demande très variable entre les heures creuses et les heures de pointe. On a déjà proposé, dans le cas des centrales hydrauliques, d'utiliser l'énergie inemployée aux heures creuses pour alimenter1 par des pompes, des réservoirs hydrauliques en charge dont l'eau est utilisée ensuite aux heures de pointe dans les turbines. De manière analogue, on a déjà proposé, pendant les heures creuses, d'utiliser l'anergie disponible des centrales thermiques pour comprimer de l'air dans des réservoirs (en particulier des réservoirs souterrains), l'air étant utilisé aux heures de pointe comme comburant pour la marche de la centrale, en particulier l'alimentation des chambres de combustion des turbines à gaz. Cette opération est d'autant plus intéressante que l'air est stocké dans des réservoirs bien étanches, relativement peu volumineux, et sous une pression assez élevée, quelques dizaines de bars pour fixer les idées. De ltair à cette pression ne peut être directement utilisé dans les chambres de combustion des turbines à gaz construites à l'heure actuelle ; il est nécessaire de le détendre. On-a proposé d y parvenir classiquement au moyen de manodétendeurs de conceptions diverses, c'est-à-dire par laminage de l'écoulement d'air. Cette opération augmente, sans aucun profit, l'entropie de l'air et gaspille une partie de l'énergie stockée. L'invention remédie à cet inconvénient. Selon l'invention, l'air comprimé, avant de parvenir à la chambre de combustion d'une turbine à gaz, est détendu dans une turbine à air qui entraîne un compresseur auxiliaire fournissant de l'air d'appoint à la chambre de combustion. Ainsi, la détente de l'air produit un travail utile directement récupérable pour la marche de l'installation. De préférence, l'air admis dans la turbine à air est, au préalable, réchauffé par les gaz d'échappement de la turbine à gaz, de sorte que, d'une part, on évite le givrage de la turbine à air, d'autre part, on accroît le travail de détente dans la turbine à air en récupérant la chaleur des gaz d'échappement de la turbine. Ce procédé est avantageusement mis en oeuvre dans une installation, adaptée à cette forme d'exploitation d'une turbine à gaz, dans laquelle un alternateur capable de fonctionner en moteur synchrone comporte des couplages respectivement avec une turbine à gaz et avec un compresseur, celui-ci alimentant un réservoir de stockage d'air comprimé qui alimente une turbine à air, laquelle entraîne un compresseur auxiliaire d'air, l'échappement de la turbine à air et le flux de sortie du compresseur auxiliaire alimentant simultanément la chambre de combustion de la turbine à gaz. De préférence, par la voie d'échangeurs thermiques à contre-courant les gaz d'échappement de la turbine à gaz réchauffent l'air admis dans la turbine à air. La figure unique montre un exemple de mise en oeuvre de l'invention. Sur la figure, la turbine à gaz T entraîne l'alternateur A à travers un embrayage a1. Au cours de la phase de stockage, le compresseur C d'un type quelconque est entraîné par l'alternateur A qui fonctionne alors en moteur, à travers ltembrayage a2. Le compresseur C, à travers la vanne V1, stocke de l'air comprimé dans le réservoir R. Par la vanne V2, cet air peut être prélevé pour alimenter la turbine à air formée par exemple de deux étages t1 et t2 Cette turbine à air entralne-un compresseur auxiliaire d'air c. Par les conduites 1 et 2, l'échappement de la turbine à air et la sortie du compresseur sont reliés à la chambre de combustion CC qui reçoit, par la conduite 3, le combustible liquide ou gazeux. Cette chambre alimente l'entrée de la turbine T. Trois échangeurs à contre-courant E1, E2, E3 chauffent l'air admis dans la turbine à air t1, t2 par le moyen de gaz sortant de la turbine T. Les échangeurs E2 et E3 sont montés en parallèle sur Rentrée et la sortie de l'étage t1 de turbine à air Ainsi3 l'échangeur E surcompense le refroidissement dû à la détente 3 de l'air dans l'étage t1, de sorte que, finalement, les flux d'air arrivant par les conduites 1 et 2 sont rades températures proches l'une de l'autre. Aux heures de pointe, la turbine entraîne l'alternateur A. Pendant les heures creuses, l'alternateur fonctionne en moteur et entraîne le compresseur C pour réalimenter le réservoir R d'air comburant. Bien entendu, aux heures creuses, l'énergie est fournie par le réseau. L'exemple suivant met en évidence les avantages de l'invention. Par le compresseur C > l'air est comprimé jusqu'à 30 bars dans le réservoir R et il y est stocké à la température de 3000 K (270C). Dans la turbine à air, l'air est détendu jusqu'à 15,1 bars dans l'étage t1 puis jusqu'à 7,5 bars dans l'étage t2. A l'entrée de la turbine T, les gaz chauds dont la pression est de 7,5 bars sont à la température de 1013 K; à la sortie, ces gaz sont à la pression atmosphérique et refroidis à 6530K. A la sortie de l'échangeur E1, comme à la sortie des étages t1 et t2, l'air est à la température de 5190K alors qu'aux entrées de ces étages il atteint 6150K. De leur coté, les gaz d'échappement sortent des échangeurs E2 et E3 à la température de 5390K et de l'échangeur Eî à-4090K. Dans ces conditions, si le débit q1 à la sortie de l'étage t2 est de I kg d'air par seconde, le débit à la sortie du compresseur auxiliaire est de 0,68 kg d'air également par seconde. Autrement dit, le procédé selon l'invention, mis en oeuvre dans l'installation schématisée, permet d'augmenter de 68 % l'énergie produite par 1 kg d'air stocké dans le réservoir R par rapport à une réalisation dans laquelle un simple laminage d'air entre le réservoir et la chambre de combustion assurerait la détente de l'air stocké. L'invention s'applique comme complément aux centrales thermiques à grande puissance lorsque la puissance appelée est fortement variable. REVENDICATIONS 1.- Procédé d'exploitation d'une installation à grande puissance variable dans une centrak thermique, installation comprenant, d'une part une turbine à gaz couplée à un alternateur, et d'autre part, un moteur électrique couplé à un compresseur principal d'alimentation d'un réservoir de stockage d'air comprimé, caractérisé en ce que l'air comprimé avant de parvenir à la chambre de combustion de ladite turbine à gaz, est détendu dans au moins une turbine à air entraînant un compresseur auxiliaire fournissant un flux d'air qui vient s'ajouter au flux d'air sortant de la turbine à air pour alimenter avec lui ladite chambre de combustion, augmentant ainsi artificiellement la capacité énergétique du réservoir 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'air provenant du réservoir et dirigé vers la turbine à air est réchauffé par les gaz d'échappement de la turbIne. 3.- Procédé selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le réchauffement de l'air amené à la turbine à air porte l'air sortant de celle-ci à une température proche de la température du flux d'air de sortie du compresseur auxiliaire. 4.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'air stocké dans le réservoir peut être remplacé par tout autre fluide comburant gazeux. 5.- InstallatIon de mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, dans laquelle d'une part un alternateur est accouplé à une turbine à gaz et d'autre part, indépendament, un moteur électrique est accouplé à un compresseur qu'il entraîne, ce dernier alimentant un réservoir de stockage d'air comprimé concourant à la marche de ladite turbine àgaz > caractérisée en ce que ledit réservoir alimente une turbine à air, laquelle entraîne un compresseur auxiliaire d'air, l'échappement de la turbine à air et le flux de sortie du compresseur .ailiaire alimentant simultanément la chambre de combustion d la turbine à gaz. 6.- Installation de mise en oeuvre du procédé selon la revendication 4, caractériséeen ce que l'alternateur pouvant fonctionner en moteur comporte des couplages débrayables d'une part avec la turbine à gaz et d'autre part avec le compres tueur principal. 7. - Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce que, par la voie d'échangeurs thermiques, les gaz d'échappement de la turbine à gaz réchauffent l'air dans la turbine à air. 8.- Installation selon 1a revendication 5, caractérisée en ce que, la turbine à air pouvant comporter plusieurs étages, l'air est réchauffé avant l'entrée du premier étage puis entre chacun des étages. 9.- Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce que.l'alternateur est monté en ligne d'arbre entre la turbine à gaz et le compresseur principal avec interposition, à chaque extrémité de l'arbre d'alternateur, d'un embrayage commandé.