Brevet FR2502417A1 — publié le 19820924

25024X7 La présente invention concerne une installation de production d'énergie électrique formée par la combinaison d'une centrale de production d'énergie électrique à vapeur et d'une centrale de production d'énergie électrique à trans- formation de l'énergie thermique marine. Dans une centrale thermique ou dans une centrale nucléaire (que l'on désignera ci-après sous le terme de "centrale de production d'énergie électrique à vapeur"), la vapeur produite dans une chaudière ou dans un réacteur nucléaire est introduite dans une turbine à vapeur. La tur- bine et une génératrice, qui lui est raccordée, sont entral- nées en rotation par la vapeur. La vapeur sortant de la tur- bine est condensée dans un condenseur. Etant donné qu'une grande quantité d'eau est nécessaire pour condenser la vapeur, la centrale de production d'énergie électrique à vapeur est souvent construite aux bords d'une rivière, d'un lac ou de la mer. L'eau chaude évacuée du condenseur est renvoyée à la rivière, au lac ou à la mer et provoque un endommagement de l'environnement. Un problème important consiste à essayer de réduire le débit d'eau utilisé pour l'échange thermique dans le con- denseur et, simultanément, à réduire la température de l'eau évacuée du condenseur. Cependant il est difficile, dans le cas présent, d'améliorer le rendement thermique de la centrale de produc- tion d'énergie électrique à vapeur. Il est également diffi- cile d'abaisser la température de l'eau évacuée du conden- seur, de sorte ru'il est nécessaire d'utiliser des dé- bits importants d'eau de refroidissement en vue de réduire la température de l'eau évacuée. D'autre part il se pose le problème selon lequel, lorsque l'eau de refroidissement est de l'eau de mer, la température de cette eau de refroidissement utilisée pour la centrale de production d'énergie électrique à vapeur, varie en fonction de la saison. En été, la température de l'eau de mer augmente et la pression présente dans le con- denseur augmente. Par conséquent la turbine a besoin d'un 2 2502417 débit plus important de vapeur pour maintenir la puissance nominale de la génératrice entraînée par la turbine. La turbine a vapeur et le condenseur sont conçus d'une manière générale en tenant compte de la température maximum de l'eau de mer en vue de déterminer la puissance nominale. La température de l'eau de mer diminue considérable- ment l'hiver et la turbine à vapeur ou le condenseur possè- de une capacité excessive. Le coût de construction et l'in- vestissement en équipement augmentent et il est possible que le rendement de la centrale tombe à un niveau bas. Une centrale de production d'énergie électrique à transformation de l'énergie thermique marine, utilisant un fluide de travail tel que de l'ammoniaque ou du fluor, est similaire au cas mentionné précédemment. La centrale élec- trique à transformation d'énergie thermique marine utilise la différence de température existant entre l'eau de mer relativement chaude provenant de la surface de l'océan et l'eau de mer plus froide provenant du fond de l'océan. Le fluide de travail, tel que de l'ammoniaque ou du fluor, est évaporé dans un évaporateur par l'eau de mer provenant de la surface de l'océan (dont la température est d'environ 300C). La vapeur de fluor entraîne en rotation une turbine primaire raccordée à une génératrice. La vapeur du fluide de travail, qui sort de la turbine primaire, est introduite dans un condenseur et est condensée par l'eau de mer située à une température d'environ 70C et tirée de niveaux plus profondsde la mer. Le fluide de travail condensé est envoyé à l'évaporateur au moyen d'une pompe hydraulique et est à nouveau évaporé. La température de l'eau de mer provenant des profon- deurs de l'océan (500 à 600 mètres) reste constante tout au long de l'année. La température de l'eau de mer située au niveau de la surface tombe à une valeur faible en hiver. Si la différence de température, soit 200C, existant entre l'eau de mer chaude à la surface de l'océan et l'eau froide dans le fond de l'océan n'est pas maintenue à un niveau éle- vé en hiver, le rendement de l'installation devient faible. C'est pourquoi la présente invention concerne une installation de production d'énergie électrique, caractéri- sée en ce qu'elle comporte en combinaison une centrale de production d'énergie électrique à vapeur comportant une tur- bine et un condenseur, une centrale de production d'énergie électrique à transformation de l'énergie thermique marine, comportant un condenseur, une turbine et un évaporateur, des moyens pour amener de l'eau de refroidissement à basse température depuis l'océan jusqu'au condenseur de la centra- le de production en énergie électrique à transformation de l'énergie thermique marine, des moyens pour mélanger l'eau de refroidissement provenant du condenseur et l'eau prove- nant de l'évaporateur, et des moyens pour faire circuler l'eau depuis les moyens de mélange à travers le condenseur de la centrale de production d'énergie électrique à va- peur et à travers l'évaporateur de la centrale de produc- tion d'énergie électrique à transformation de l'énergie thermique marine. D'autres caractéristiques et avantages de la pré- sente invention ressortiront de la description qui va suivre à titre d'exemple non limitatif et en regard des dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est un schéma d'une installation combi- née de production d'énergie électrique conforme à la pré- sente invention; et la figure 2 est un schéma partiel d'une seconde forme de réalisation de la présente invention. Conformément à la figure 1, une centrale 10 de pro- duction d'énergie électrique à transformation de l'énergie thermique marine comporte un condenseur 12, une pompe 14, un évaporateur 16 et une turbine primaire 18 à laquelle est raccordée une génératrice 20. Ces éléments sont raccordés ensemble de manière à former un système 22 de circulation du fluide de travail. Le fluide de travail, tel que de l'ammoniaque ou du fluor, est condensé dans un condenseur 12 et le fluide de travail condensé est envoyé à l'évapora- teur 16 par l'intermédiaire d'une pompe 14. La vapeur du fluide de travail, qui est produite dans l'évaporateur 16, entraîne en rotation la turbine primaire 18, et la généra- trice 20 produit de l'électricité. D'autre part il est prévu une centrale 30 de produc- tion d'énergie électrique à vapeur, telle qu'une centrale thermique ou une centrale nucléaire, située à proximité de l'installation 10 de production d'énergie électrique à transformation de l'énergie thermique marine. La centrale comporte un condenseur 32, une pompe 34 de récupération de l'eau de condensation, un dispositif 36 de chauffage de l'eau d'alimentation, une chaudière 38 (ou un réacteur nucléaire) et une turbine à vapeur 40 à laquelle est raccor- dée une génératrice 42. Ces éléments sont raccordés ensemble de manière à former un système bien connu 43 de circulation d'eau et/ou de vapeur. Une pompe d'aspiration 50 est raccordée au conden- seur 12 situé dans la centrale 10 par l'intermédiaire d'une canalisation d'amenée 52. L'eau de refroidissement T52 est envoyée au condenseur 12 par la pompe d'aspiration 50 à partir de la mer, d'une rivière, d'un lac ou d'un marais, etc. L'eau froide T56 évacuée du condenseur 12 est envoyée à un réservoir de mélange 54 par l'intermédiaire d'une canalisation 56. L'eau de circulation T58 traversant le condenseur 32 et l'évaporateur 16 est envoyée au réservoir de mélange 54 par l'intermédiaire d'une canalisation 58. L'eau de cir- culation 58 provenant du réservoir de mélange 54 est en- voyée au condenseur 32 par l'intermédiaire d'une pompe 60 d'entraînement de l'eau de circulation. Une canalisation 62 d'évacuation de l'eau en excès est raccordée à la canalisation 58 entre le condenseur 32 et l'évaporateur 16. En outre une canalisation de dériva- tion 64 est prévue entre la canalisation 56 et la canalisa- tion 62 d'évacuation de l'eau en excès. La canalisation de dérivation 64 est utilisée pour évacuer l'eau en excès T64 de la canalisation 56, par l'intermédiaire de la canalisa- tion 62. L'installation combinée de production d'énergie électrique conforme à la présente invention inclut la cen- trale 10 de production d'énergie électrique à transforma- tion de l'énergie thermique marine et l'installation 30 de production d'énergie électrique à vapeur, qui sont raccor- dées l'une à l'autre par l'intermédiaire d'un réservoir de mélange 54 et de canalisations 56 et 58. L'eau de refroidissement T52, qui est par exemple tirée du fond de l'océan, est envoyée au condenseur 12. La vapeur du fluide de travail est condensée dans le condenseur 12 par l'eau de refroidissement T52. A la suite de cela, l'eau froide T56 évacuée par le condenseur 12 est envoyée au réservoir de mélange 54 par l'intermédiaire de la cana- lisation 56. L'eau froide T56 est légèrement plus chaude que l'eau de refroidissement T52. L'eau froide en excès T64 provenant de la canalisation 56 est transférée dans la canalisation de dérivation 64 et est évacuée de la canalisa- tion 62. L'eau de circulation T58b sortant de l'évaporateur 16 et l'eau froide T56 sont mélangées dans le réservoir de mélange 54 de manière à régler la température correcte de l'eau de circulation T58. L'eau de circulation T58 prove- nant du réservoir de mélange 54 est envoyée au condenseur 32 par l'intermédiaire de la pompe 60 d'entraînement de l'eau de circulation. La vapeur évacuée de la turbine à vapeur 40 est condensée dans le condenseur 40. L'eau chau- de T58a évacuée du condenseur 40 est envoyée à l'évapora- teur 16. L'eau chaude évacuée T58a provoque l'évaporation du fluide de travail liquide dans l'évaporateur 16. La vapeur du fluide de travail est envoyée à la turbine pri- maire 18 de manière à l'entraîner en rotation et par con- séquent à provoquer la production d'électricité par la génératrice 20. L'eau de circulation T58b sortant de l'évaporateur 16 est renvoyée au réservoir de mélange 54, auquel l'eau froide T56 est envoyée. D'autre part l'eau condensée dans le condenseur 32 est envoyée au dispositif 36 de chauffage de l'eau d'alimen- tation et à la chaudière 38 par l'intermédiaire de la pompe 34 d'entraînement de l'eau de condensation. L'eau condensée envoyée à la chaudière 38 est chauffée de manière à produi- re de la vapeur. La vapeur fortement chauffée et pressuri- sée provenant de la chaudière 38 est envoyée à la turbine à vapeur 40 pour l'entraîner en rotation et pour ainsi la production d'électricité par le générateur 42. Le débit d'eau froide pénétrant dans le réservoir de mélange 54 est réglé au moyen de la canalisation de déri- vation 64, et la température de l'eau de circulation T58 est également réglée. L'eau froide en excès T64 est évacuée par la canalisation 62 d'évacuation de l'eau en excès. On va maintenant décrire, pour une centrale thermi- que d'une puissance de 375.000 kW (kilowatts), une forme de réalisation en indiquant des données de fonctionnement. Dans le cas d'une centrale thermique utilisant de l'eau de mer comme agent de refroidissement, le débit d'eau de refroidissement nécessaire pour le condenseur va- rie en fonction de la saison. La température moyenne de l'eau de mer est d'environ 220C. Cette température moyenne est considérée comme la température théorique de l'eau du condenseur, et l'on détermine de façon correspondante la température de l'eau chaude évacuée du condenseur. On déter- mine également le débit de l'eau de refroidissement envoyée au condenseur. Etant donné que la température de l'eau évacuée est inversement proportionnelle au débit de l'eau de refroidissement, on augmente le débit d'eau de manière à réduire la température. La différence de température (par exemple l'accrois- sement de température entre l'eau évacuée du condenseur et l'eau pénétrant dans le condenseur> est égale en général à environ 70C. La faible différence de température ne peut pas être acceptée conformément à la limitation de formation du condensat. Etant donné que la différence de température est réduite, le débit de l'eau de refroidissement est ac- cru. Si l'accroissement de température est d'environ 70C, la température de l'eau chaude évacuée est d'environ 29aC et le débit de l'eau de refroidissement nécessaire pour le condenseur est d'environ 60.000 t/h (tonnes par heure). Lorsque la température de l'eau de mer augmente en /été, la pression régnant dans le condenseur 32 augmente et la puissance de sortie de la turbine 40 diminue. En été, il est nécessaire d'utiliser un équipement de conditionne- ment d'air et il se produit habituellement un manque d'électricité. C'est pourquoi le condenseur 32, la chau- dière 38, la turbine à vapeur 40 et l'équipement auxiliai- re sont habituellement conçus de manière à pouvoir fournir la puissance de sortie maximum en été. Dans le cas de la température théorique de l'eau (220C), la valeur limite de la puissance de sortie et de la capacité de l'équipement passe à environ 6 à 10 %. La puissance de sortie nominale est maintenue pour la température maximale de l'eau de refroidissement en été. En d'autres saisons, la centrale électrique est partielle- ment chargée à sa capacité limite dans le cas présent: le rendement d'utilisation de la centrale électrique est faible. Si la température du condenseur 32 pouvait être maintenue constante tout au long de l'année, il n'y aurait aucun problème. Le cas I, représenté dans le tableau ci-après, est un cas o les problèmes mentionnés ci-dessus peuvent être évités. Dans ce cas 1, l'eau en excès T64 n'est pas évacuée par l'intermédiaire de la canalisation de dériva- tion 64. En supposant que la température de l'eau T54 tirée du fond de l'océan est d'environ 6,50C, cette eau subit dans le condenseur 12 un accroissement de température d'en- viron 20C et la température de l'eau T56 évacuée par la canalisation 56 est de 8,50C. Dans le réservoir de mélange 54, l'eau T56 est mélangée à l'eau de circulation T58b (dont la température est de 270C) provenant de l'évapora- teur 16. L'eau de circulation T58 possédant une température de 17,90C provenant du réservoir de mélange 54 est envoyée au condenseur 32 par la pompe 60 d'entraînement de l'eau r c U'l [ Z 8'LI 6 Z '6 S'89 LZ 8' li 6Z 8' l 9'61LZ '8 U' '9 Il SVi '81 6Z '81 6Z O - Z'61 LZú'Lú 6Z L'Lú6'Li '81 '8 5'8[ '9 I SVD 09 6Z 09 6Z _ _ 09 6Z 09 ZZ _ _ _ _ lFbIK'HH M 4 M l M i M _ M M | M _ M LIZ9L Z91 '91 q8gçl 8 j5L | 9 3zçi qll 0001 lnv.% pijunj 4nuep 3qCp: M lnual ap eanleapdu.,al: i 9 2502417 de circulation. A condition que la température de l'eau T58a sortant du condenseur soit de 290C, c'est-à-dire la même que dans le cas de la centrale thermique seule, l'ac- croissement de température dans le condenseur 32 est de 11,10C. Dans ce cas I, l'accroissement de température de 11,10C est supérieur à l'accroissement de température de C dans le cas de la centrale thermique seule. Par consé- quent le débit de l'eau de circulation T58 est d'environ 37.700 t/h, ce qui est inférieur au débit de 60.000 t/h requis par la centrale thermique seule. L'eau de circula- tion T58a est utilisée pour réaliser le chauffage du flui- de de travail dans l'évaporateur 16. Dans ce cas I, la chu- te de température est de 20C dans l'évaporateur 16. Le débit de l'eau de circulation T58b traversant l'évaporateur 16 est d'environ 19.200 t/h et ce débit constitue le débit d'entrée du réservoir de mélange 54. Le débit restant de 18.500 t/h de l'eau de circulation T58a est évacué en tant qu'eau évacuée en excès T62 par l'intermédiaire de la cana- lisation 62. Le débit de l'eau évacuée en excès T62 est égal à celui de l'eau de refroidissement T52 traversant la canali- sation 52. Le débit de 60.000 t/h de l'eau de refroidisse- ment est égal à celui de l'eau évacuée dans le cas de la centrale thermique seule. Dans ce cas I, le débit de l'eau de refroidissement ou évacuée est de 18.500 t/h, ce qui représente environ 30 % de 60.000 t/h. Par conséquent la puissance de sortie de la centrale 10 de production d'éner- gie électrique à conversion de l'énergie thermique marine est de 1300 kW et la puissance de la turbine à vapeur 40 contenue dans la centrale 30 de production d'énergie élec- trique à vapeur est d'environ 1000 kW, étant donné que la température de 17,90C de l'eau de circulation T58 est plus faible que dans le cas de la centrale thermique seule, et la pression régnant dans le condenseur 32 passe à un niveau bas. Etant donné que la température de l'eau de mer au fond de l'océan est constante tout au long de l'année, la 2502417 température de l'eau de circulation T58 et T58a peut être maintenue constante. Il n'est pas nécessaire que chaque équipement de la centrale de production d'énergie électri- que à vapeur possède une capacité excessive, et la centrale de production d'énergie électrique à conversion de l'éner- gie thermique marine peut continuer à fonctionner en hiver. Le débit de l'eau de circulation pour le condenseur 32 est de 37.700 t/h et le débit d'aspiration de la pompe est de 18.500 t/h. L'eau correspondant à la différence de débit de 19.200 t/h entre 37.700 t/h et 18.500 t/h cir- cule dans la canalisation 58 de l'eau de circulation en traversant le condenseur 32 et l'évaporateur 16. L'eau de circulation T58 joue le rôle de milieu d'échange thermique entre l'énergie thermique présente dans le condenseur 32 et l'énergie thermique présente dans l'évaporateur 16. Par conséquent la température de l'eau de circulation T58 peut être réglée par l'intermédiaire de la canalisation 58 de l'eau de circulation, qui relie le condenseur 32 à l'évapo- rateur 16. Dans le cas II représenté dans le tableau, l'eau froide en excès T64 est évacuée par l'intermédiaire de la canalisation de dérivation 64. La température de l'eau T62a évacuée par la canalisation d'évacuation 62 est fixée à 22eC. Cependant cette température est réglable. Le débit de l'eau de refroidissement T52 est égal à 27.000 t/h. L'eau chaude évacuée T62 est diluée par l'eau froide en excès T64. La puissance produite par la centrale de production d'énergie électrique à conversion de l'énergie thermique marine est d'environ 2000 kW. Dans le cas II, la températu- re de 220C de l'eau évacuée peut être la même que celle de l'eau de mer à la surface de l'océan et le débit de l'eau évacuée peut être inférieur à la moitié du débit de l'eau évacuée dans le cas de la centrale thermique seule. Si le condenseur 32 est d'une taille de construc- tion limitée et si les tubes de transfert thermique sont réduits, la température de l'eau chaude évacuée du conden- seur 32 peut être supérieure à 220C. Par conséquent la 11 2502417 puissance délivrée par la centrale de production d'énergie électrique à transformation de l'énergie thermique marine peut être accrue étant donné que l'eau chaude évacuée du condenseur 32 est utilisée comme eau de chauffage de l'éva- porateur 16. L'eau de chauffage de l'évaporateur 16 ne dé- pend pas de la température de l'eau de mer à la surface de l'océan, c'est-à-dire que les conditions d'installation d'une centrale 10 de production d'énergie électrique à transformation de l'énergie thermique marine peuvent être allégées. La condition pratique de fonctionnement de la centrale 10 de production d'énergie électrique a transfor- mation de l'énergie thermique marine est que la différence de température entre l'eau chaude T58a évacuée du conden- seur 32 et l'eau de refroidissement T52 soit égale ou supé- rieure à 20C. Par conséquent la température de l'eau de chauffage de l'évaporateur est égale ou supérieure à la température de 270C de l'eau présente à la surface de l'océan, tout au long de l'année. Un avantage de la présen- te invention réside dans le fait que la température de l'eau de refroidissement T52 est faible et que la condition d'installation est que la température de l'eau de mer à la surface de l'océan soit faible. En se référant à la figure 2, on va décrire une seconde forme de réalisation de la présente invention. Le réservoir de mélange 54 et la pompe 60 d'entraînement de l'eau de circulation sont raccordés à une canalisation 56 de circulation d'eau froide. La sortie de la pompe 60 d'entraînement de l'eau de circulation est raccordée à la canalisation de dérivation 64. L'eau de circulation T58 est envoyée au condenseur 32 par la pompe 60 d'entraînement de l'eau de circulation. Le fonctionnement de la seconde forme de réalisation est similaire à celui de la première forme de réalisation représentée sur la figure 1. En outre le réservoir de mélange 54 peut être sup- primé et les différentes canalisations, qui se raccordent normalement au réservoir, sont raccordées ensemble. Conformément à la présente invention, le débit de 12 2502417 l'eau de refroidissement T52 peut être réduit. Etant donné que la température de l'eau chaude évacuée peut être égale- ment abaissée, la température de l'eau évacuée peut être analogue à celle de l'eau de mer et il est possible d'évi- ter une rupture avec l'environnement. Etant donné que la température de l'eau de refroi- dissement est constante tout au long de l'année, il n'est pas nécessaire que l'installation possède une capacité excessive et l'on peut obtenir une réduction d'environ 6 à 10 % du coût de la construction. En outre le débit de l'eau de circulation T58 tra- versant le condenseur 32 est réduit étant donné que la dif- férence de température entre l'eau de circulation T58 et l'eau de circulation T58b est importante. La capacité de la pompe 60 d'entraînement de l'eau de circulation est égale ou inférieure à 80 % de celle de la pompe d'entraînement de l'eau de circulation dans la centrale thermique seule. Etant donné que la température de l'eau de circula- tion T58 est faible, la pression régnant dans le condenseur 32 est faible. Par conséquent la puissance de sortie de la turbine à vapeur 40 est accrue d'environ 0,3 à 1 % et il est possible de réduire la taille du condenseur 32. 1 3 2502417 REVENDICATIONS 1. Installation de production d'énergie électrique, caractérisée en ce qu'elle comporte en combinaison une centrale (30) de production d'énergie électrique à vapeur comportant une turbine (40) et un condenseur (32), une cen- trale (10) de production d'énergie électrique à transforma- tion de l'énergie thermique marine, possédant un condenseur (12), une turbine (18) et un évaporateur (16), des moyens (14) pour amener de l'eau de refroidissement à basse tempé- rature depuis l'océan jusqu'au condenseur (12) de la centra- le de production d'énergie électrique à transformation (10), des moyens (54) pour mélanger l'eau de refroidissement (T52) provenant du condenseur (12) et l'eau (T58h) provenant de l'évaporateur (16), et des moyens (60) pour faire circuler l'eau (T58) depuis les moyens de mélange (54) à travers le condenseur (32) de la centrale (30) de production d'éner- gie électrique à vapeur et à travers l'évaporateur (16) de la centrale de production d'énergie électrique à transforma- tion de l'énergie thermique marine (10). 2. Installation de production d'énergie électrique selon la revendication 1, caractérisée en ce que le conden- seur (12), la turbine (18) et l'évaporateur (16) de la cen- trale de production en énergie électrique à transformation (10) ainsi qu'une pompe de circulation (14) sont raccordés de manière à former un circuit fermé (22) pour un fluide de travail, que la turbine (40) et le condenseur (32) de la centrale de production d'énergie électrique à vapeur (30) ainsi que le générateur de vapeur (38), un dispositif (36) de chauffage de l'eau d'alimentation et une pompe (31) sont raccordés de façon à former un circuit fermé (43) pour le fluide de travail sous forme d'eau/vapeur, que les moyens de mélange (54) comportent un réservoir raccordé de manière à recevoir l'eau en provenance du condenseur (12) et de l'évaporateur (16) de la centrale de production d'énergie électrique à transformation de l'énergie thermique marine (10), et que les moyens de circulation comprennent un cir- cuit reliant le réservoir (54), une pompe (60) et le 14 2502417 condenseur (32) de la centrale de production d'énergie élec- trique à vapeur (30) et l'évaporateur (16) de la centrale de production d'énergie électrique à transformation d'éner- gie thermique marine (10). 3. Installation de production d'énergie électrique selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'une canali- sation d'évacuation de l'eau (62) est raccordée au circuit contenant les moyens de circulation (60) entre le conden- seur (32) et l'évaporateur (16). 4. Installation de production d'énergie électrique selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'une canali- sation de dérivation (64) est raccordée entre les moyens de mélange (54) et la canalisation d'évacuation de l'eau (62). 5. Installation de production d'énergie électrique selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'une canali- sation de dérivation (64) est branchée de manière à établir une dérivation contournant le condenseur (32) de la centra- le de production d'énergie électrique à vapeur (30). 1,l" >-.-