Brevet FR2334825A1 — publié le 19770708

La présente invention se rapporte à une installation génératrice de puissance mécanique et/ou électrique et de quantités d'eau chaude. On sait que les installations génératrices de puissance mécanique et/ou électrique du type utilisant la combustion d'un combustible pour entra'viner des moteurs, des turbines à gaz et/ou des turbines à vapeur ne fournissent comme énergie mécanique et/ou électrique recueillable qu'un certain pourcentage, habituellement de l'ordre de 30 à 40% de l'énergie thermique libérée par la combustion du combustible. Ceci tient au fait des lois de la thermodynamique et de l'imperfection des appareils.Le reste de l'énergie, soit donc 60 à 70% de l'énergie théorique disponible est habituellement perdue sous forme de re-etsthermiquesdans l'environnement.Ces rejets thermiques constitués en général par de grandes quantités d'eau chaude à basse température de l'ordre de 10à 3oeC sont en pratique et en'l'état peu utilisable. la Société demanderesse a déjà proposé des solutions permettant de revaloriser ces rejets thermiques à basse température en les transformant, au moyen d'une pompe à chaleur en des quantités d'eau à température plus élevée, par exemple de l'ordre de 900(3, utilisables et/ou stockables. La présente invention se rapporte à une installation de ce type comprenant un agencement particulièrement intéressant d'une installation génératrice dewpuissance utilisant un groupe turbine à gaz plus turbine à vapeur et une installation de récupération et de revalorisation des rejets thermiques utilisant une pompe à chaleur. Conformément à l'invention l'installation se caractérise en ce qu'elle comprend en combinaison -une turbine à gaz alimentée en combustible et en air sous pression au moyen d'un compresseur -une chaudière à vapeur empruntant sa chaleur au gaz d'échappement de la turbine à gaz, -une turbine à vapeur entrainée par la vapeur produite dans ladite chaudière, -un alternateur électriqugientraîné par lesdites turbines, -au moins un compressaur formant pompe à chaleur entraîné par lesdites turbines, produisant de l'eau chaude vers o0-900C à partir de retours d'eau moins chaude et empruntant sa chaleur au moins en partie à l'air extérieurdirigé au compresseur d'alimentation de la turbine à gaz et/ou à une source extérieure, par exemple d'aaux usées, de rejets thermiques dans l'air o ~ loms; -et un condenseur-récupérateur de chaleur sur le circuit des fumées avant rejet à l'atmosphère, servant à produire de l'eau chaude vers 7590oc. Avec une installation ainsi conçue, on constate que l'on obtient, entre autres,les avantages suivants -il n'y a pratiquement plus de rejets thermiques dans l'environnement, ces rejets pouvant même devenir négatifs , la pompe à chaleur empruntant de la chaleur au milieu ambiant selon les conditions d'utilisation; dans ces conditions ltefficacité énergétique de l'installation sur le plan de la production énergie, électrique et /ou mécanique et d'anergie thermique d'eau chaude utilisable vers gOOC dépasse couramment 200%; -les caractérisques de rendement thermodynamique du couple turbine à gaz plus turbine à vapeur qui sont déjà parmi les meilleures au point de vue thermodynamique sont encore améliorées par le fait que le compresseur de la turbine à gaz étant alimenté en air refroidi voit son rendement massique augmenter à puissance consommée égale, ce qui permet d'augmenter la puissance reçue sur l'arbre de la turbine à gaz à partir de la combustion d'une même quantité de combustible; le rendement électrique et/ou mécanique de l'installation est donc accru, pouvant atteindre voire dépasser 50%. L'invention apparaîtra plus clairement à l'aide de la description qui va suivre faite en référence à un schéma de mise en oeuvre d'une installation conçue selon la présente invention. En se référant au schéma annexé l'installation comprend essentiellement : -une turbine à gaz TG alimentée en combustible en 10 et en air sous pression en 11 au moyen d'un compresseur C; en 12 sont les brûleurs et en 13 la chambre de combustion avant admission des gaz dans la turbine à gaz TG -une chaudière à vapeur Ch empruntant sa chaleur as gaz d'échappement sortant de la turbine à gaz en 14 , par exemple vers +n0 C; cette chaudière à vapeur fournit de la vapeur, par exemple vers 400comme illustré en 15;; -une turbine à vapeur TV entrainée par la vapeur 15 provenant de la chaudière à vapeur Ch -un alternateur électrique A entrainé par les turbines à gaz et à vapeur TG,TV et fournissant du courant électrique aux bornes 16; -au moins un compresseur divisé dans l'exemple illustré en deux étages CPI, CP2 formant pompe à chaleur P entraînée par les turbines TG et TV, ladite pompe à chaleur pr.oduisant de l'eau chaude en 17 vers 6w90 C à partir de retours d'eau moins chaude 18, par exemple à 400C; la pompe à chaleur P emprunte sa chaleur au moins en partie à l'air extérieur admis en 19 et aspiré en 11 au compresseur C; dans l'exemple illustré la pompe à chaleur P emprunte également de la chaleur à une source extérieur par exemple dB rejets 20 d'eausées vers 203O0(3 comme il sera décrit plus loin; -et un condenseur-récupérateur de chaleur R sur le circuit 21 des fumées avant rejet à l'atmosphère en 22 et après traversée de la chaudière à vapeur Ch; ce condenseur-récupérateur sert à produire de l'eau chaude dans l'exemple illustré vers 900C en 23 à partir des eaux de retour à 400C introduites par 24 dans le récupérateur R. Dans l'installation qui vient d'être brièvement décrite le compresseur C, la turbine à gaz TG, la turbine à vapeur, l'alternateur A et les deux étages CPI, CP2 des compresseurs de la pompe à chaleur P sont avantageusement montés sur le même axe et peuvent être débrayables - selon les besoins.Par exemple, en période de surproduction d'électricité au réseau général, on pourra débrayer le compresseur C, la turbine à gaz TG ainsi que la turbine à vapeur TV en arrêtant l'admission du combustible 10 et utiliser l'alternateur A comme moteur pour entrainer la pompe à chaleur P qui fournira donc à partir des retours d'eau chaude à 400 des eaux chaudes utilisables et . stockable à 900C en empruntant la chaleur nécessaire par exemple à la source appoint extérieure.Des réservoirs 50 et 51 sont prévus dans ce but. On décrira maintenant le montage de la pompe à chaleur P du schéma illustré. La pompe à chaleur P est divisée en deux étages CP1,CP2 qui sont avantageusement constitués par les deux étages d'un meme compresseur, qui pour plus de clarté du schéma a été divisé en deux étages séparés CP1,CP2. Le côté froid du premier étage CP1 sert notamment à refroidir dans l'échangeur B1 comme illustré schématiquement en 26 l'air extérieur admis en 19. il sera ainsi possible d'alimenter par exemple le compresseur C avec de l'air vers OOC, et par conséquent augmenter le débit massique du compresseur d'environ 10% pour une puissance consommée égale par rapport au remplissage avec de l'air admis vers 250C. la chaleur ainsi absorbée au premier étage CPt de la pompe à chaleur P est libérée, par exemple vers 700C en 27 dans l'échangeur E2 qui servira de source de chaleur au deuxième étage CP2 de la pompe à chaleur r. Un appoint de chaleur est fourni au premier étage CP1 comme illustré en 28, chaleur empruntée au milieu ambiant extérieur, par exemple à des eaux usées à 20-300C ou encore à une rivière. Les eaux froides sont rejetées en 29 par exemple à 5-100C et peuvent être éventuellement stockées en vue de la climatisation durant les périodes chaudes. De cette façon le premier étage CP1 peut recevoir en 30 la quantité de chaleur nécessaire qui devra être fournie en 27 dans 1 'échangeur 72 en vue de la fourniture en 31 de la chaleur nécessaire au fonctionnement du second étage CP2 de la pompe. En 32 eFt schématisé le condenseur du premier étage CPI de la pompe et en 33 une pompe de circulation pour ce premier étage. Le second étage CP2 alimenté en chaleur,du côté froid en 31 ,dans l'échangeur E2 , par exemple à 600C fournit du coté chaud,des rejets, en 34,par exemple,vers 1000C,dans l'échan- geur B3, qui assure la condensation en 35 par exemple vers 500C du fluide frigorifique utilisé qui est ensuite repompé en 36 vers l'entrée du second étage de compression CP2.DansL"échangeur 33 les eaux de retour admises en 18 sod chauffées en 37 et peuvent être rejetées vers 900C dans la canalisation 38 de départ des eaux chaudes. La division en deux étages de la pompe à chaleur P permet d'améliorer le rendement de fonctionnement de la pompe à chaleur. De nombreuses variantes peuvent être apportées, la pompe à chaleur pouvant être divisée en plus deux étages ou ne comprendre au contraire qu'un seul étage. De même l'échangeur E2 peut également recevoir une source de chaleur extérieure provenant par exemple d'un retour d'eaux usées ou autre. Du côté turbine à vapeur la vapeur sortant de la turbine TV est condensée dans un condenseur 39 , la condensation pouvant être faite à partir des eaux de retour 40 à 400C admises en 41 dans un serpentin d'échange 42 et renvoyées en 43 vers 90oC dans la ligne de départ d'eau chaude 38 . En 44 on a illustré un appoint d'eau De même en 45 on a illustré un appoint d'air extérieur fourni éventuellement au compresseur C après filtrage sur un filtre 46. Du côté des fumées le récupérateur R permet grâce à l'élé- ment d'échange de chaleur 47 d'élever la température des retours d'eau 24 pour fournir en 23 de l'eau vers 900C à la ligne de départ des eaux chaudes 38. Les eaux condensées dans le récupérateur R et dans un condenseur supplémentaire 48 peuvent être utilisées en étant dirigées en 49 vers tout point d'utilisation souhaitable., et par exemple si elles sont rejetées vers 50 à 600C dans l'échangeur E2 comme sourcé-de chaleur côté froid du second étage CP2 de la pompe à chialeur. A l'atmosphère sont pratiquement rejetées en 22 des fumées sèches et froides , essentiellement constituées de gaz carbonique et d'azote. Bien entendu 1' invention n'est-nullement limitée au mode d'installation décrit qui n'a été montré qu'à titre d'illustration. C'est ainsi par exemple qu'on peut prévoir un agencement légèrement différent de la pompe à chaleur et la faire travailler pour produire de l'air plus froid vers -10 ou -200C au compresseur C de façon à augmenter le rendement de production électrique en heure de pointe de l'installation.Dans ce cas les eaux chaudes rejetées par la pompe à chaleur pourront être produites à moins haute température, par exemple 60-700C, le réchauffement final des eaux chaudes vers 900C pouvant être obtenu dans le récupérateur R et dans le condenseur 39, des soutirages de vapeur à la chaudière Ch ou à différents étages de la turbine à vapeur TV pouvant également être effectués. De même, les réchauffeurs d'eau de 40 à 900(3, 42, 37, 47 qui sont disposés en parallèle comme représenté, peuvent être montés en série, en relation avec la meilleure efficacité globale des composants dussystènie L'invention s'applique également à toute combinaison de machines thermiques et de pompes à chaleur ; par exemple, l'on pourra utiliser des turbines à gaz à cycle fermé, dans lesquelles il sera prévu un refroidissement du gaz à l'entrée des compresseurs par le fluide froid sortant de la pompe à chaleur, comme il est prévu ici pour la turbine à gaz à cycle ouvert. L'invention comprend donc tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont réalisées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDiCÂT IONS 1. Installation génératrice de puissance mécanique et/ou électrique et de quantités d'eau chaude, caractérisée en ce qu'elle comprend en combinaison - une turbine à gaz alimentée en combustible et en air sous pression au moyen d'un compresseur, - une chaudière à vapeur empruntant sa chaleur aux gaz d'échappement de la turbine à gaz, - une turbine à vapeur entraînée par la vapeur produite dans ladite chaudière, - un alternateur électrique entraîné par lesdites turbines, - au moins un compresseur formant pompe à chaleur entraîné par lesdites turbines produisant de l'eau chaude vers 60'-900C à partir de retours d'eau moins chaude et empruntant sa chaleur au moins en partie à l'air extérieur aspiré au compresseur d'alimentation de la turbine à gaz et/ou à une source extérieure par exemple d'eaux usées, et - un condenseur-récupérateur de chaleur sur le circuit des fumées avant rejet à l'atmosphère servant à produire de l'eau chaude vers 75-900C. 2. Installation génératrice de puissance selon la revendication 1 , caractérisée en ce que ladite pompe à chaleur est divisée en deux étages avantageusement regroupés en un seul compresseur, le côté froid du premier étage servant notamment à la production d'air refroidi pour le compresseur d'alimentation de la turbine à gaz, le côté chaud du second étage servant à la production d'eau chaude , et le côté chaud du premier étage formant au moins en partie source chaude pour le côté froid du second étage. 3. installation génératrice de puissance selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce que sur le circuit d'échappement des fumées est disposé au moins un échangeur qui sert à remonter la température de l'eau chaude produite par ladite pompe à chaleur. 4 - Installation génératrice de puissance selon l'une des revendications précédentes, utilisée en relation avec des réseaux de chauffage urbain comportant des réservoirs saisonniers d'eaux chaudes, d'eaux de retour, et d'eaux glacées.