Brevet FR2402062A1 — publié le 19790330

La présente invention est r relative aux installations ou centrales de production combinée d'électricité et de chaleur, utilisant comme fluide caloporteur un gaz, avec récupération de chaleur, les calories fournies pouvant provenir d'une source quelconque et notamment de la combustion d'un combustible fossile, du rayonnement solaire ou du coeur d'un réacteur nucléaire, en particulier du genre d'un réacteur à haute température refroidi à l'hélium sous pression. Afin de mieux situer le problème concerné par la présente invention et de faire apparaitre plus clairement les caractéristiques du perfectionnement envisagé, on se référera tout d'abord au diagramme illustré sur la Fig. 1 donnant, dans un système de coordonnées portant la température t en ordonnées et l'entropie S en abscisses, une représentation d'un cycle thermodynamique, -dit de Brayton, avec réfrigération intermédiaire éventuelle en cours de compression. Sur ce schéma, A représente la source de chaleur qui délivre un gaz à haute température détendu à la sortie de cette source en passant d'une température t1 à une température t2 dans une turbine T, entrainant un alternateur (non représenté) et un ou deux compresseurs C1 et C2, disposés sur l'axe de la turbine T.Ur récupérateur RC, jouant le roule d'un échangeur, est prévu pour transférer une quantité notable de la chaleur de ltécoulement basse pression en aval de la turbine à l'écoulesent haute pression sortant des compress^urs, afin de limiter la quantité de chaleur demandée à la source de chaleur. Les températures du gaz dans le récupérateur RC sont, pour le fluide basse pression à l'entrée et à la sortie, respectivement t2 et t3, et pour le fluide à haute pression, t5 et t6. Les réfrigérants R1 et R2, respectivement associés aux compresseurs C1 et C2, abaissent de t3 à t4, puis de t31 à t41 la température du gaz à basse pression à la sortie du récupérateur RC avant l'admission dans ces compresseurs. Un rejet thermique, soit dans le milieu environnant, soit utilisé pour produire de l'eau chaude, s'effectue dans ces réfrigérants R1 et R2, entre ces températures t3 et t4 d'une part et t31 et t41 d'autre part. La présente invention concerne un perfectionnement apporté aux dispositions ci-dessus, qui consiste essentiellement à disposer au moins un générateur de vapeur en dérivation sur la basse pression du récupérateur. D' autres caractéristiques et avantages du perfectionnement envisagé apparaltront encore à travers la description qui suit de plusieurs exemples de dispositions données à titre indicatif et non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels - les Fig. 2 à 4 illustrent différentes variantes de diagrammes thermodynamiques à cycle fermé, correspondant à autant d'exemples dradaptation des dispositions de l'invention ; - la Fig. 5 est un schéma de principe d'une installation mettant en oeuvre l'invention selon le diagramme illustré sur la Fig. -4. Les dispositions caractéristiques de l'invention ressortent notamment de ltexamen du diagramme illustré sur la Fig. 2, dans sa forme de réalisation la plus simple. Sur cette figure, le récupérateur RC comporte un seul générateur de vapeur GV monté en parallèle sur l'écoulement basse pression, entre les températures t2 et t3. Toutefois, il est évident que l'on ne sortirait aucunement du cadre de ltinv-ention en remplaçant le générateur de vapeur par tout autre appareil analogue, tel qu'un réchauffeur ou un échangeur, notamment permettant de transmettre la chaleur récupérée a' de l'eau ou à des fluides divers, du genre ammoniaque, liquides organiques, hydrocarbures, etc... utilisables par exemple comme fluide de travail pour des cycles thermodynamiques à température relativement basse. La production de vapeur réalisée dans le générateur GV grace a la chaleur ainsi utilisée en dérivation n'est pas totalement "gratuite", c' est-àdire ne correspond pas exclusivement à une simple récupération des calories qui seraient autrement perdues, comme c'est par exemple le cas dans le réfrigérant R. On va constater néanmoins et c'est là l'avantage majeur des dispositions de linvention, qu'elle n'implique qu'une augmentation réduite de la puissance thermique fournie par la source A, permettant au total une amélioration significative du rendement de l'installation. Pour le démontrer, on se référera à nouveau au diagramme de la Fig. I, en négligeant la partie du cycle correspondant à la réfrigération intermédiaire (R2 - C2) en cours de compression, les caractéristiques de l'installation restant évidemment valables pour toutes les variantes du cycle susceptibles d'entre envisagées. En désignant par e ltefficacité thermique du récupérateur RC et par r le rapport des capacités calorifiques des écoulements ou débits à haute et à basse pressions dans celui-ci, on peut écrire les formules suivantes t6 - t5 (1) e = t2 - t5 t2 - t3 mc (2) r = = t6 - t5 MC où m et M correspondent au débit respectif des écoulements à haute et à basse pressions et c et C aux chaleurs spécifiques correspondantes du fluide, ces chaleurs spécifiques étant, dans le cas particulier où le gaz de travail est de hélium, sensiblement égales. Deux cas sont alors à considérer selon que le rapport ## est inférieur ou supérieur à 1. Dans le premier cas, on définit une grandeur Nut appelée nombre d'unités de transfert, qui est le produit du coefficient d'échange global H par la surface d'échange B, divisé par la capacité calorifique minimale mc. Cette grandeur sans dimension caractérise l'échange thermique du récupérateur, compte-tenu de son dimensionnement et s'exprime par les relations HB (3) Nut = 1 1 - er (4) Nut = Log ( ) 1 - r 1 - e mc Dans le second cas, le rapport est supérieur à et les gran MC deurs caractéristiques du récupérateur RC deviennent respectivement :: t2 - t3 (1') e'= t2 - t5 t6 - t5 MC (2') r'= = t2 - t3 mc HB (3') Nut= MC 1 1-e'r' 4') Nut= LOg ( ) 1 - r' 1 - e' Si lfon se réfère alors à la Fig. 2, on voit que, selon l'invention, une partie appréciable M" de l'écoulement total M dans le récupérateur basse pression, est dérivée à travers le générateur de vapeur GV, le débit basse pression M', qui continue à traverser le récupérateur, devenant inférieur au débit à haute pression m qui n'a pas varié, (5) M' (6) M = M' + M". Dans ces conditions, la puissance échangée dans le récupérateur RC diminue certaines températures aux bornes de ce récupérateur variant corrélativement. Si t2 et t5 ne changent pas en première approximation, et si t3 est supposée constante, la température à l'èntrée de la source de chaleur A diminue alors de t6 à -t6 de telle manière que (7) mc(t6, - t5) =M'C(t2 - t3). La géométrie et la surface d'échange du récupérateur RC demeurant inchangées, les débits haute et basse pressions dans cet appareil étant connus (le débit M" est calculé d'après la puissance du générateur de vapeur GV et l'écart de température t2 - t3), on peut déterminer le nouveau coefficient d'échange global H' puis le nouveau nombre d'unités de transfert N'ut d'après la relation (3'). Au moyen des relations (1'), (2') et (4'), on calcule par ailleurs la grandeur Nut'" à partir des températures t2 t t3, t5 et t6'- On obtient ainsi : (8) N" L'égalité : Nut' = Nut" ne peut titre obtenue que pour un déplacement de t3 en t3 et de t'6 en t6@" nouvelles valeurs de températures qui peuyent etre déterminées par approximations successives. Au total, -clest dans le relèvement ainsi défini de la température rentrée de la source de chaleur de t6 à t6 que résident les particularités des dispositions proposées par la présente invention et les avantages qui en découlent en ce qui concerne notamment le bilan énergétique global.La puissance supplé mentaire demandée à la source de chaleur A est égale, non pas à (9) mc (t6 - t6) c'est-à-dire à la puissance du générateur de vapeur GV mais à : (10) mc (t6 - t6) La différence entre ces deux termes, à savoir :: (11) mc (t6 - t6) est véritablement une puissance "gratuite" puisque rigoureusement récupérée, grace au fait que, d'une part le nombre d'unités de transfert du récupérateur augmente puisque, dans la relation (3') le terme MC diminue davantage -que le coefficient d'échange global H, dont le terme ooefficient d1 échange du côté de la haute pression demeure inchangé et que, d'autre part, la diminution de t6, qui agit fortement sur l'écart de température entre les écoulements haute et basse pressions du récupérateur et; par suite sur la valeur de NUt, ne peut qu'etre limitée. A noter que, dans ce qui précède, on a supposé, pour simplifier les calculs, que la température de sortie du fluide basse pression du générateur de vapeur était égale à la température d'entrée dans le réfrigérant R1, soit t3. Il est certain qu'elle peut être légèrement différente, la valeur t3, résultant alors du mélange des écoulements. De meme, on a supposé que les chaleurs spécifiques du gaz du côté basse pression et du coté haute pression étaient égales, ce qui est sensiblement vérifié dans les conditions pratiques de mise en oeuvre. Un avantage particulièrement important résultant des dispositions de l'invention, provient de ce que la mise en parallèle d'un générateur de vapeur GV sur le récupérateur RC n'entraîne aucune perturbation ou modification du fonctionnement du circuit en amont, notamment pour la production d'électricité, quelle que soit la charge représentée par ce générateur de vapeur. En effet, les débits qui traversent la turbine et le compresseur, les températures à rentrée et à la sortie de ces machines ainsi que les rapports de détente et de compression de celles-ci demeurent constants, ce qui représente un avantage particulièrement fondamental pour lrexploitation de l'installation. Inversement et sur une plage appréciable, une modification de la charge de la turbine et du ou des compresseurs, n'a qu'une influence limitée sur la production de chaleur. Un autre avantage est lié aux conditions thermiques et technologiques très favorables rencontrées pour la production de chaleur1 qu'il s'agisse des niveaux de température, des écarts de température entre les écoulements primaire et secondaire, ou des différences de pression entre fluides. On peut souligner comme autre avantage le fait que la dérivation du fluide basse pression dans le générateur de vapeur entraîne une diminution de la perte de charge basse pression du récupérateur au bénéfice du rendement du cycle. Le générateur de vapeur peut comporter un seul faisceau ou de préférence deux faisceaux distincts en cascade, correspondant à deux qualités de vapeur afin de tirer un meilleur parti de la variation de température-importante entre t2 et t'3. On peut aussi disposer en série, côté primaire, un générateur de vapeur et un réchauffeur. Dans les deux cas, ces appareils peuvent etre chargés différemment selon le réglage de leur circuit secondaire et leur dimensionnement, mais ils restent traversés par le même débit de fluide primaire. Le rendement énergétique de l'installation peut encore être amélioré grace au préchauffage par le réfrigérant R des fluides secondaires des faisceaux de générateurs de chaleur en dérivationr ce qui accroît la production de ces derniers de 15 à 18x, La perte de charge basse pression du récupérateur et celle du générateur de vapeur sont aisément équilibrées au moyen d'organes de réglage avantageusement prévus à cet effet. La Fig. 3 illustre un autre diagramme correspondant å une variante de mise en oeuvre du perfectionnement selon l'in- vention. Dans ce èas, afin d'obtenir une souplesse encore améliorée dans la production de chaleur, en qualité et en quantité, et afin de produire cette chaleur avec ia meilleure efficacité tout en portant le rendement du cycle a' sa valeur maximale, on réalise le récupérateur RC en deux parties montées en série, respectivement RC1 et RC2. L'utilisation de deux appareils au lieu d'un seul, en effet, rend possible une augmentation sensible du rendement thermique du récupérateur.Sur le diagramme de la Fig. 3, on voit que la chaleur peut être produite par un générateur unique GV, monté en parallèle sur les deux récupérateurs en série RC1 et RC2, ou bien par deux générateurs en série, respectivement GV1 et GV2' montés en dérivation sur l'ensemble des deux récupérateurs, c'est a dire entre l'entrée du premier et la sortie du second La Fig. 4 illustre une autre variante découlant de la précédente où le récupérateur est à nouveau séparé en deux récupérateurs en série RC1 et RC2 et le générateur de vapeur en deux générateurs en série GV1 et GV2, mais dans laquelle chaque récupérateur comporte lui-même en dérivation un générateur de vapeur avec une liaison entre la sortie du premier générateur et l'entrée du second et d'autre part la zone commune å la sortie du premier récupérateur et å l'entrée du second. Des organes de réglage ou d'isolement sont convenablement prévus pour assurer une répartition variable à la demande de la production de chaleur entre les deux générateurs. Dans un premier cas, les charges des deux générateurs GV1 et GV2 sont ajustées pour etre proportionnelles aux puissances échangées, respectivement par les récupérateurs RC1 et RC2 ; ce cas se ramène dans ces conditions aux précédents, tels qu'illus- trés sur les Fig. 2 et 3. En variante, la charge de GV1 peut etre nulle, le second générateur GV2 produisant seul de la chaleur. Dans ce cas, les dispositions décrites précédemment s'appliquent alors au seul récupérateur RC2, permettant d'obtenir de nouvelles températures t3, tj et tj, la valeur de t5 à la sortie du compresseur ne variant pas. En ce qui concerne le premier récupérateur RC1, celui-ci conserve son efficacité thermique ea, ses débits haute et basse pressions m0 et M0' son rapport de débits rQ, son coefficients d'échange global Ho et par conséquent son nombre d'unités de transfert (Nut)0- la température t2 à la sortie de la turbinedemeurant inchangée, on vérifie par une démarche analogue aux précédentes t6" - tj' (12) e0 = t2 - tj t2 - tj' (13) r0 = t6" - tj' On obtient ainsi une valeur de t6@" qui fait apparaïtre un faible écart t6 - t6-" Il en résulte quLa une charge significative du second générateur de vapeur GV2, ne correspond qu'une faible augmentation de la puissance de la source de chaleur A. La diminution de la puissance échangée par la récupéra teur RC2 est en grande partie compensée par l'augmentation de la puissance échangée par RC1, due elle-même à un accroissement des écarts de température dans ce récupérateur causé par la bais- se de tj en tj' et de t6 en t6". A l'inverse du cas précédent, la charge de GV2 peut être nulle, Ie générateur GV1 produisant seul de la chaleur. Dans cette hypothèse, la procédure à appliquer est symétrique, en notant toutefois que, -dans ce second cas, les conditions ne sont pas aussi favorables en ce qui concerne la compensation par RC2 de la diminution de l'échange de chaleur de RC1. Enfin, dans le cas le plus général, les répartitions des charges entre GV1 et GV2 sont quelconques, le calcul pouvant être à nouveau mené pour déterminer la température de t6 correspondante délimitant l'écart représentatif de la puissance demandée à la source. Dans tous les cas, la disposer tion de deux récupérateurs séparés, montés en série, comportant chacun en dérivation un générateur de vapeur, conduit à une souplesse d'utilisation remarquable, facilement adaptable selon les besoins et à une efficacité - énergétique maximale. Ces dispositions entraînent par ailleurs une augmentation notable- du rendement thermodynamique du cycle, grace à une plus grande récupération de chaleur interne. La Fig. 5 illustre, -a titre indicatif, un schéma de principe d'un réacteur nucléaire à haute température refroidi par hélium sous pression, mettant en oeuvre les dispositions du diagramme plus spécialement représenté sur la Fig. 4. Sur ce schéma, la référence 1 désigne le coeur du réacteur fournissant dans son circuit primaire par une conduitè de sortie 2, de l'hélium à haute température èt sous haute pression. Cet hélium à la température t1 est détendu dans une -tur- bine 3, d'où il sort sous basse pression a' la température t2, puis est acheminé par une canalisation 4 a' l'entrée d'un premier récupérateur 5 lui-même disposé en série par une condulte de liaison-6; avec un second récupérateur 7.A la sortie de ce dernier, le fluide primaire est envoyé par une conduite 8 vers un réfrigérant 9r dont la sortie, par une autre conduite 10, est reliee à l'entrée d'un compresseur 11. Ce dernier est monté sur le même axe que la turbine 3 qui entraine un alternateur 12. Le fluide porté à haute pression a' la sortie du compresseur 11, est repris par une conduite 13 et renvoyé a' nouveau à l'inté- rieur du second récupérateur 7 puis au premier récupérateur 5 a' travers une conduite de liaison 15. Cet écoulement de retour reçoit par échange dans ces récupérateurs des calories de l'écoulement aller à basse pression provenant de la turbine 3. A la sortie du récupérateur 5, le fluide à haute pression est renvoyé dans le coeur du réacteur par une conduite 17. Conformément à l'invention, une partie du débit du fluide primaire à basse pression est prélevée sur la conduite 4 avant son entrée dans le premier récupérateur 5, par une canalisation 18 permettant de l'acheminer vers un premier générateur de vapeur 19, lui-même disposé en serie par une canalisation 2Q avec un second générateur de vapeur 21, la sortie de èe dernier étant raccordée par une canalisation 22 à la conduite 8 en aval du second récupérateur 7.Une canalisation intermédiaire 23 est montée entre le conduit de liaison 6 des récupérateurs 5 et 7, et la canalisation 20, de manière à assurer la mise en parallèle des générateurs de vapeur 19 et 21 et des récupérateurs 5 et 7, le générateur de vapeur 19 étant en dérivation sur le récupérée teur 5 et le générateur 21 en dérivation sur le récupérateur 7. Les circuits secondaires des générateurs de vapeur 19 et 21 sont schématisés sur le dessin sous les références 24 et 25 et permettent de fournir à des circuits d'utilisation Cnon représentés} de la vapeur ou, le cas échéant, -de l'eau chaude, 'sous pression et température convenables. Le circuit secondaire du réfrigérant 9 est représenté en 26 et permet le rejet à l'atmosphère dans une tour de refroidissement 27, ainsi qu'une récupération d'eau chaude dans un échangeur 28. L'installation ainsi conçue permet d'-ohtenir une efficacité des récupérateurs thermiques prévus dans la boucle de circulation du fluide caloporteur de l'ordre de 0,95 t avec un rendement électrogène amélioré, au moins équivalent à celui d'un système - réfrigération intermédiaire, mais au prix drune - complication sensiblement moins importante. En résumé, la vapeur fournie par les générateurs possède d'excellentes caractéristiques industrielles ; elle est fournie sans répercussions sur la production d'électricité elle-même et au prix d'une augmentation toujours limitée de la puissance de la source de chaleur. Quelques valeurs significatives permettent d'apprécier concrètement l'intéret de la solution proposée. Elles proviennent d'évaluations relatives à des installations nucléaires à cycle à hélium à une seule compression produisant une puissance électrique nette de 600 MW(e) et dont la puissance thermique du coeur se situe dans la gamme 1400 - 1800 MW(t). Dans le cas d'un seul récupérateur, ou de deux considérés comme un seul ensemble, et pour une production en dérivation, avec réchauffage de l'eau d'alimentation au moyen du réfrigérant, -de 350 MW(t) de vapeur, soit près de 60% du nombre nominal de MW(e), , la puissance de la source de chaleur n'augmente que de '180 MW(t). La proportion de chaleur obtenue "gratuitement" selon la notion dégagée précédemment, est donc voisine de 50X. Le rendement net de 11 installation passe de 35/37X, pour la seule production d'électricité et un refroidissement par tour sèche, à 55/57% pour la production combinée d'électricité et de vapeur de bonne qualité industrielle, à savoir soit 60 bars/4200C pour la totalité, soit par exemple, -70 bars/440 C pour les deux tiers et 12 bars/2200C pour un tiers. D'autre part, pour une installation de ce type, la récupération d'eau chaude à partir du réfrigérant n'est pas affectée car, dans les conditions qui précèdent, 400 MW(t) d'eau réchauffée de 70 à' 1400C sont fournis, ce qui conduit à un rendement global situé entre 75 et 8o. Dans le cas de deux récupérateurs- distincts, la production en dérivation sur la seule section basse température (RC2) de 175 MW(t) de vapeur à 10-12 bars/2200C n'entraine - qu'une augmentation de 1500 à 1550 MW(t) de la puissance thermi que de la source de chaleur. La proportion obtenue "gratuitement" est alors supérieure à 70%, le rendement électrique net ne varie que de 40 à 38-,7% et le rendement pour la production d'électrici- té et de vapeur atteint 50%, compte non tenu de la production d'eau chaude à partir du réfrigérant. Ainsi, une installation de ce type peut garder un rendement electrique net élevé tout en produisant une quantité significative de chaleur de bonne qualité. Il est certain que ces valeurs fournies pour une installation à chauffage nucléaire resteraient valables- en pourcentage pour un autre mode de chauffage, fossile, solaire, etc.. et des caractéristiques de cycle comparables. Bien entendu, il va de soi que l'invention ne se limite pas aux seuls cxemples de mise en oeuvre plus spécialement envisagés ci-dessus ; elle embrasse au contraire tous les types d'installation à cycle à gaz, ouvert ou fermé, avec récupération. En particulier aucune limitation n'a été envisagée quant à la structure et à la localisation des générateurs de vapeur et des récupérateurs dans le circuit principal. Avantageusement dans le cas d'un réacteur a haute température et à refroidissement par un gaz sous pression, le module de récupérateur et le module de générateur ou réchauffeur peuvent etre superposés et placés à 11 intérieur d'un même alvéole ménagé dans un caisson en béton contenant également le coeur du réacteur simplifiant ainsi l'ar chitecture au caisson et assurant vis-à-vis de l'extérieur la sécurité nécessaire. REVENDICATIONS -1; Perfectionnement aux installations de production dut énergie à cycle à gaz avec récupération de chaleur, comportant une source de chaleur1 fournissant un fluide à haute température et pression, une turbine de détente, au moins un récupérateur monté à la sortie de la turbine, un réfrigérant et un compresseuren série, le compresseur renvoyant le fluide sous haute pression à la source après échange thermique dans le récupérateur avec lez fluide à basse pression provenant de la turbine, caractérisé en ce qu'il consiste à disposer au moins un générateur de vapeur en dérivation sur la basse pression du récupérateur. 2. Perfectionnement selon la revendication 1, caractérisé en ce que le récupérateur est constitué de deux appareils distincts en sérier le générateur de vapeur étant lui-même constitué de deux appareils distincts en série. 3. Perfectionnement selon la revendication 2, carac térisé en ce que les deux générateurs de vapeur sont en parallèle sur les deux récupérateurs. 4. Perfectionnement selon la revendication 2, caractérisé en ce que chacun des deux générateurs de vapeur est en parallèle sur un des deux récupérateurs.