Brevet FR2511210A1 — publié le 19830211

La présente lnventicn se rapporte une cen'rale 6 lect'i- que perfectionnée utilisant une turbine a plusieurs étages et dans laquelle la sortie de l'un des étages communique avec l'entrée de l'étage suivant Dans un grand nombre de centrales électriques industrielles du type ci-dessus, on s'accomode des variations de la consom- mation électrique en r Cglant soit la quantité de vapeur pro- duite par la chaudière, soit la pression à l'entrée les dif- férents étages de la turbine Quand la puissance éler' '4 q demandée à la centrale, correspond à sa puissance nominale (ou à son régime nominal) la chaudière produit la vapeur à une température, a une pression et à un débit nominaux Par contre, quand la consommation descend au-dessous du régime nominal, la puissance de la turbine doit être réduite Or, étant donné que le rendement de pointe de la turbine co Tn- cide avec la consommation nominale, tout fonctionnement in- férieur î la consommation nominale augmente le cout de ' énergie électrique produite par la centrale De plus, la solution classique pour réduire la puissance de la turbine diminue encore davantage le rendement global de l'installation. On voit donc que le fait de diminuer la pression d'entrée de la turbine afin de diminuer sa puissance de sortie déclenche un processus irréversible qui se traduit par un gaspillage de carburant; de plus, le fait de faire Fonctionner la chaudière 5 au-dessous de son régime nominale afin de dimiiuer le débit a également pour résultat une utilisation moins efficace du carburant. En conséquence, le but de la présente invention est de four- nir une nouvelle centrale électrique du type ci-dessus qui per- met de remédier ou de pallier les inconvénients ci-dessus. Dans la centrale électrique selon l'invention, on utilise une chaudière à vapeur pour fournir sous un débit nominal de la vapeur à haute pression à une température et à une pression nominales à une turbine ayant un étage à aute pression et, au moins un étage à basse pression alimenté en vapeur de qua- lit@ inférieure évacuée de l'étage à haute pression Un géné- rateur principal, entraj é par la turbine à vapeur, alimente en él ecricité une charge vcriable Quanrid la censommatiion de :a charge descend au-dessous d'une certîine valeur nominaln, la chaudière reste en marche, mais la vapeur de qualité in- férieure sortant de l'étage à haute pression de la turbine est déviée (de l'étage à basse pression) vers ur accumulateur de chaleur, qui peut être un certain volume d'eaui, suffisam- ment grand pour accumuler la chaleur contenue dans la vapeur à basse pression pendant la période de temps au cours de la- quelle la centrale travaille au-dessous de sa puissance nomi- nale Un récupérateur de chaleur perdue, ayant son propre générateur, utilise la chaleur de basse Qualité conservée dans l'accumulateur et peut être mis en action sélectiveme pour fournir un supplément d'électri:ité à la charge La puissance du récupérateur de chaleur peut être utilisée quand la centra- le doit fournir une puissance de pointe, ainsi que pour four- nir une puissance réduite pendant l'arrêt de la centrale prin- cipale De plus, quand ils sont en marche, la chaudière et 1 ' étage à haute pression de la turbine opérent avec un rendement de pointe, ce qui a pour résultat de diminuer la dépense en carburant de la centrale selon l'invention au-dessous de cel- le d'une centrale classique de même taille. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention res- sortiront de la description qui va suivre, en référence au dessin annexé, sur lequel: La figure 1 eot un schéma par blocs d'une centrale électri- que modifiée ^onformément à la présente invention; et, les figures 2 A 3 2 D sont des diagrammes se rapportant au fonctionnement de la chaudière et du récupérateur de chaleur perdue. Sur la figure 1, la référence 10 désigne une centrale éner- gétique conforme à la présente invention qui comprend une cen- trale électrique 11 du type décrit à laquelle est relié un récupérateur de chaleur perdue 12 La centrale Il comprend une cha dière à vapeur traditionnelle 13, une turbine à vapeur à plusieurs étages 14 entraînant un générateur 15 qui alimente en élect"icite un réseau (non représenté), un condenseur 16 - et une pompe d'alimentation 17 La chaleur fournie à la chau- dière 13 lui permet, de son c 6 té, de fournir de la vapeur à haute pression à la turbine à haute pression 18, la vapeur sortant de cet étage étant envoyée par une valve 19, à une turbine à basse pression 20 dont la sortie est reliée au con- denseur 16 Un courant d'eau de refroidissement circulant dans un serpentin 21 refroidit la vapeur sortant de la turbine à basse pression 20, l'eau de condensation résultantc étant re- cyclée par la pompe 17 dans la chaudière, complétant ainsi le cycle. Quant la quantité de chaleur fournie à la chaudière 13 cor- respond à celle pour laquelle elle a été calculée (quantité nominale), cette chaudière produit un débit de vapeur à une températ':re et à une pression nominales et la centrale ll opère dans des conditions telles que le générateur 15 fournit une puissance nominale au réseau qu'il alimente Dans ces conditions, le fonctionnement de la turbine 14 est son point uominal et son rendement, de même que le rendement Je toute la centrale Énergétique est à son maximumi Quanrd la puissance fournie par le générateur 15 descend au dessous de sa valeur nominale, la solution traditionnelle pour diminuer la puissance de sortie de a turbine 14 consiste à rceuira la quantité de vapeur alimentertnt la turbine à haute prezion et, éventuelle- ment, à redlire aussi la quantité do /au ',r la: U- 11210 4: bine à basse pression Ceci a pour effet de réduire la quantité de travail produit par la turbine, mais son rendement diminue en même temps En plus des pertes de rendement, occasionnées par la baisse de rendement de la turbine, celle-ci est également amenée à travailler dans des conditions autres que celles cor- respondant à sa puissance nominale, la réduction du débit dans les tuyauteries de vapeur représentant un processus irréversi- ble qui réduit encore davantage le rendement de la centrale. En conséquence, la part que-représente le carburant dans le co Ot de l'électricité produite par la centrale augmente chaque fois que l'installation travaille au-dessus ou au-dessous de ses conditions nominales. Pour remédier à cet inconvénient, c'est à dire, à cette di- minution du rendement de l'installation, lorsque la demande est différente de la production nominale de la centrale électrique on a incorporé dans la centrale électrique il un récupérateur de chaleur perdue 12 et un accumulateur de chaleur 72 L'accu- mulateur de chaleur 22 pourrait, par exemple, se présenter sous la forme-d'un grand volume d'eau qui est chauffé-quand une van- ne de dérivation 19 a été commutée de façon à dévier le courant de vapeur de la turbine 20 vers l'accumulateur 22 Autrement dit, quand la vanne 19 aiguille la vapeur à basse pression sortant de la turbine à haute pression 18 de la turbine à basse pres- sion 20 vers l'accumulateur de chaleur 22, la chaleur conte- nue dans cette vapeur à basse pression étant transférée à l'eau contenue dans l'accumulateur 22, au lieu d'être convertie en travail dans la turbine à basse pression 20. Le cas échéant, le fonctionnement de la vanne 19 pourrait être automatisé Dans un tel cas, un détecteur de charge 40, influencé par la puissance de sortie du générateur 15, pourrait produire un signal de commande en réponse duquel la vanne 19 dévie le courant de vapeur qui alimentait la turbine 20 vers l'accumulateur 22 dans le cas d'une réduction prédéterminée de la puissance demandée à la centrale 11. Le volume d'eau ajouté à l'accumulateur de chaleur 22 par suite du fonctionnement de la vanne de dérivation 19 est évacué 11210 de celui-ci par un conduit 23 relié à une valvr de mélange 24 avec le concours de la pompe d'alimentation 17 Ainsi est main- tenu un courant d'eau alimentant la chaudière 13 De cette ma- nière, la turbine à vapeur à haute pression 18 et la chaudière 13 continuent toutes deux à fonctionner à leurs régimes nomi- naux, ce qui maximise le rendement de ces deux coi 1 posunt de l'installation La chaleur qui n'est pas utilisée dans la tur- bine 14 est ainsi conservée dans l'accumulateur 22. Les conditions décrites ci-dessus sont illustrées par la figure 2 o la courbe 1 de la figure 2 A les variations de char ge (ou de consommation) pendant une période typique de 24 heures étant bien entendu que la courbe A n'est qu'un exemple d'une courbe de consommation typique d':n réseau électrique Dans la situation représentée, la centrale électrique 10 doit fournir sa puissance nominale pendant environ deux heures, d'environ heures à midi; le reste du temps, la centrale ne devant livrer qu'une quantité d'électricité inférie ure à sa puissance nominale En supposant que la puissance devant-être fournie par la centrale 10 pendant la période comprise entre midi et 22 heures soit égale à la puissance nominale de l'étage à haute pression 18 de la turbine 1-, l'excès de calories produites par la chaudière 13, au lieu d'être transformé en travail dans l'étage à basse pression 20, sera dévié vers l'acctmulateur de chaleur 22 par la vanne 19 Ainsi, pendant les dix heures sui- vantes, la chaudière 13 et la turbine 18 vont continuer à tra- vailler avec leur rendement de pointe. Aux environs de 22 heures, lorsque la puissance demandée à la centrale 10 descend à son niveau le plus bas, lequel dans l'exemple de la figure 2 correspond à la capacité du récupéra- teur de chaleur perdue 25, la chaudière 13 est arrêtée, tandis que le récupérateur 12 est mis en marche. Comme représenté sur la figure 1, le récupérateur de chaleur 12 est, de préférence, une centrale énergetique 26 opérant avec un fluide organique selon le cycle Rankine, comprenant un évapo- rateur 27, une turbine à fluide organique 28 et un condenseur 29 Pour mettre en marche le récupérateur de chaleur 12, on tijarre la pompe 32 afin d'extraire une certaine quantité d'eau chaude de l'accumulateur 22 et pour la diriger, à traver l'é- changeur de chaleur 30, vers l'évaporateur Un fluide organique, tel que le Fréon, contenu dans l'évaporateur 27 est vaporisé par l'eau chaude et est transformé en une vapeur qui est di- rigée vers l'entrée de la turbine à fluide organique 28, la- quelle entraîne le générateur 25 d'une manière classique La vapeur sortant de la turbine 28 alimente le condenseur 29 o l'eau de refroidissement circulant dans le serpentin "" la con- dense, le fluide organique ainsi condensé étant recyclé par la pompe d'alimentation vers l'évaporateur 27, complétant ainsi le cycle. Du fait que la chaudière 13 opère pendant la période de temps o la centrale 10 travaille au-dessous de son régime nominal, la quantité de chaleur amassée dans l'accumulateur 22 es+ suffisante pour permettre au récupérateur de chaleur perdue 12 de fonctionner d'environ 22 heures à environ 6 heures du matin suivant,les besoins du réseau étant fournis par le genérateur 25 Aux environs de 6 heures, le récupérateur 1 2 cesse de fonctionner, par suite de l'arrêt de la pompe 32 e- la valve 19 intervient pour diriger la vapeur sortant de la turbine 18 vers l'entrée de la turbine 20 en même temps que la centrale Il est remise en-action en fournissant de-la chaleur à là chaudière 13 Ainsi, l'énérgie fournie par la centrale 10 est déviée du générateur 25 au générateur 15 et l'installation travaille à nouveau a sa puissance nominale. Comme représenté sur la figure 2, à 8 heures environ, la centrale 10 fournit sa puissance de pointe pendant environ deux heures; et pendant ce temps, le récupérateur de chaleur perdue 12 est remis en marche de -sorte que les deux générateurs et 25 peuvent fournir simultanément de l'énergie électrique au réseau. La courbe de la figure 2 b indique la période de temps au cours de laquelle le récupérateur de chaleur 12 opère, tandis que la courbe 2 C se rapporte à la période de fonctionnement de l'étage à haute pression 18 de la turbine 14 Enfin, la 1 1210 courbe de la figure 2 D indique la période de temps pendant laquelle l'étage à basse pression 20 de la turbine opére Le fonctionnement du récupérateur de chaleur et des différents; étages de la turbine 14 ont pour résultat la courbe de charge au de production A de la figure 2. L'accumulateur de chaleur 22 peut être une cuve ouverte arrangée pour que la vapeur à basse pression sortant de la tur- bine à haute pression 18 soit mise directement en contact avec 1 À qu'elle contient En variante, l' accumulateur pourrait contenir un autre liquide que l'eau et la chaleur pourrait être transférée de la vapeur à basse pression dans ce liquide par un échangeur de chaleur approprié, (non représenté). La figure 1 représente une centrale énergétique à fluide organique opérant selon le cycle Rankine, mais d'autre types d' installations pourraient aussi être utilisées C'est ainsi-par exemple, qu'une turbine à vapeur à basse pression pourrait faire partie du récupérateur de chaleur perdue; et, dans ce cas, l'évaporateur pourrait être un évaporateur flash recevant l'eau de l'accumulateur 22 et la transformant en une vapeur alimentant une turbine qui entraîne le générateur 25. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées aux exemples de réalisation représentés et décrits sans $sertir pour autant du cadre de l'invention. 0 25112 10 R E V E N D I C A T I O N S 1 Procédé pour produire de l'électricité qui consiste-à produire une quantité nominale de vapeur à haute pression in- dépendamment de la charge électrique,à fournir cette-vapeur à-l'entree haute pression d'une turbine à vapeur à plusieurs étages ayant un étage basse pression,' à dévier sélectivement la vapeur issue de 1 l'étage à basse press-ion vers un accumulateur de chaleur, à faire fonctionner sélectivement un récupérateur de chaleur perdue afin de produire de l'électricité-en utili- sant la chaleur dudit accumulateur. 2 Procédé, selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on dévie la chaleur de l'accumulateur en fonction de la charge électrique. 3 Procédé, selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on fait fonctionner le récupérateur de chaleur perdue quand la consommation de la charge électrique dépasse la capacité nominale de la turbine à étages Centrale d'énérgie ou électrique, selon le procédé de la revendication 1 et qui comprend un chaudière ( 13) pour délivrer une quantité nominale de vapeur à haute pression à une pression et à une tempé-rat' re nominales à une turbine a vapeur à plusieurs étages ( 14) entraînant un générateur prin- cipal ( 15) qui fournit de l'électricité a une charge variable caractérisée en ce qu'elle comprend une dérivation à actionne- ment sélectif pour dévier à volonté la vapeur de qualité in- férieure d'au,moins un étage inter:médiaire de la turbine à vapeur vers un accumulateur de chaleur ( 22) quand la consom- mation de la charge électrique descend au-dessous d'une certai- ne valeur nominale du générateur principal, ce qui fait que la chaudière continue de fournir une quantité nominale de-vapeur à une température et à une pression nominales a la turbine, indépendamment de la consommation de la charge êléctrique, et un récupérateur de chaleur perdue ( 12) qui en réponse à la cha- leur de basse qualité de l'accumulateur de chaleur fournit selec- tivemnent de l'électricité à ladite charge. Centrale électrique, selon la revendication 4, carac- isée en ce que le récupérateur de chaleur perdue ( 12) est une centrale électrique à fluide organique opérant selon un cycle Rankine fermé. Centrale électrique, selon la revendication 5, carac- térisée en ce que la vapeur de basse qualité est automatique- ment dirigée vers l'accumulateur en réponse a la charge-élec- trique. 7 Centrale électrique, selon la revendication 5, carac- térisée en ce que l'accumulateur de chaleur est un ce:tain volu- me d'eau. 8 Centrale électrique intégrée, selon le procédé de la revendication 1 qui comprend une chaudière à vapeur ( 13) pouvant fournir une quantité nominale de vapeur à haute pression à une températ re et à une pression nominales a une turbine à vapeur ( 14) ayant un étage à haute pression et, au moins un étage à b Vsse pression entraîné par la vapeur de basse qualité issue de l'étage à haute pression, un générateur principal ( 15) en- traîne par la turbine à vapeur afin de fournir de l'électricité à une charge variable, un accumulateur de chaleur ( 22) pour conserver la chaleur de basse qualité, des moyens pour dévier sélectivement ladite vapeur de basse qualité vers l'accumula- teur de chaleur et un récupérateur ( 12)-de chai ur perdue qui en réponse à la chaleur de basse qualité -ontenue dans l'accu- mulateur fournit de l'électricité à la charge variable. 9 Centrale électrique intégrée, selon la revendication 8, caractérisée en ce que le récupérateur de chaleur perdue est une centrale électrique a fluide organique opérant selon le cycle Rankine fermé. Centrale électrique intégrée, selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens pour surveil- ler la charge électrique et pour actionner automatiquement les- dits moyens pour dévier sélectivement la vapeur de basse quali- té vers l'accumulateur en fonction de la consommation de la charge électrique.