Brevet FR2604746A1 — publié le 19880408

-.p 2604746 La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour accroître l'énergie fournie et le rendement thermique d'un cycle d'énergie tel que le cycle de vapeur de Rankine. Les cycles d'énergie du type utilisant des turbines à vapeur pour entraîner des génératrices électriques, assu- rent habituellement une fourniture d'énergie et un rende- ment thermique faibles. Le cycle à condensation directe dans lequel la tota- lité de la vapeur sortant de la turbine est amenée, par une condensation à chaleur perdue, à fournir l'eau d'alimenta- tion d'un bouilleur. a un rendement sur l'énergie primaire de 13 398xlO33/kWh et un rendement thermique de 27%. Lorsqu'on utilise le cycle de vapeur de Rankine. la plus grande partie de la vapeur sortant de la turbine est utilisée pour préchauffer l'eau d'alimentation pour le géné- rateur de vapeur, ce qui réduit ainsi la chaleur perdue et assure un rendement sur l'énergie primaire d'environ 10655xl0.J/kWh et un rendement thermique d'environ 34%. Cette opération entraîne toutefois une perte de chaleur, due au changement d'état, de 2.259 à 2.329MJ/kg de vapeur. Suivant la présente invention on fait passer jusqu à la moitié de la vapeur extraite de la turbine ou plus de cette moitié à travers un cycle repressuriseur/réchauffeur, autrement dit un cycle de repressurisation et de réchauf- fage. et on la réapplique à la turbine en vue de sa conver- sion en énergie mécanique. Le rendement sur l'énergie pri- maire du cycle repressuriseur/réchauffeur, conjointement avec la turbine à vapeur, est d'environ 4747xlO33/kWh et le rendement thermique est d'environ 74%. Le but essentiel de l'invention est de combiner le cycle repressuriseur/réchauffeur avec un cycle à régénéra- tion tel que le cycle de Rankine. Lorsque les flux de vapeur à partir de la turbine sont régulés de manière à fournir un flux de 20% vers le cycle repressuriseur/réchauffeur et un flux de 80% vers le cycle de Rankine. le rendement sur l'énergie primaire et le rendement thermique sont respectivement d'environ 2 2604746 865xlO3J/kWh et 39%. Avec un flux de vapeur de 50% en di- rection du cycle repressuriseur/réchauffeur et un flux de vapeur de 50% en direction du cycle de Rankine, le rendement sur l'énergie primaire et le rendement thermique sont res- pectivement d'environ 6330xlO33/kWh et 54%. Avec un flux de vapeur de 80% vers le cycle repressuriseur/réchauffeur et un flux de vapeur de 20% vers le cycle de Rankine, le rendement sur l'énergie primaire et le rendement thermique sont res- pectivement d'environ 5275x1033/kWh et 65%. Le repressuriseur est adapté de manière à transpor- ter des charges compartimentées de vapeur partiellement détendue, à partir de la turbine. dans et à travers des étages d'alimentation de vapeur à pression plus élevée à partir de la turbine. La vapeur dans l'étage à la pression la plus élevée du repressuriseur est déplacée à travers un réchauffeur allumé dans lequel l'enthalpie de la vapeur est augmentée notablement afin de permettre sa réadmission à 1 entrée de la turbine à vapeur. afin de fournir de l'éner- gie additionnelle avec une puissance de sortie plus élevée. Le repressuriseur est construit suivant les grandes lignes de la pompe torique décrite dans le brevet US-3 930 757, bien qu'il soit entraîné par un dispositif d'entraine- ment électromagnétique excité par un système d'alimentation électrique polyphasée. à fréquence régulée tel que décrit dans le brevet US 4 593 215. On décrira ci-après,à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution de la présente invention.en référence au dessin annexé sur lequel: La figure 1 est une vue semi-schématique d'un sys- tème à cycle à condensation directe suivant la technique antérieure. La figure 2 est une vue semi-schématique d'un sys- tème à cycle de Rankine à régénération suivant la technique antérieure. La figure 3 est une vue semi-schématique d'un sys- tème préféré suivant l'invention. 3 2604746 La figure 4 est une vue de profil du repressuriseur. La figure 5 est une vue en plan du repressuriseur. avec arrachement partiel, afin d'illustrer la construction mécanique et électrique. La figure 6 est une vue en coupe, à plus grande échelle, de la portion du repressuriseur représentée dans la partie arrachée droite de la figure 5. La figure 7 est une vue en coupe transversale, à plus grande échelle, du tore ou de l'anneau du repressuri- seur, faite suivant la ligne 7-7 de la figure 5. La figure 8 est une vue semi-schématique montrant, sous forme développée, les enroulements du rotor et du sta- tor, les poles et les noyaux. Le cycle à condensation directe représenté sur la figure 1 comprend une turbine à vapeur 10, une génératrice électrique 12 entraînée par la turbine 10. un condenseur 14 pour condenser en eau la vapeur sortant de la turbine 10. un conduit 16 avec des pompes 18 pour fournir l'eau résultante à un bouilleur 20, une chaudière 22 comprenant des brûleurs à combustible, non représentés, et un conduit de vapeur 24 s'étendant à partir du bouilleur 20 à travers la chaudière 22 jusqu'à la turbine 10. Ainsi qu'il est indiqué dans le tableau I ci-après le cycle à condensation directe a un rendement sur l'énergie primaire de 13 398xlO3J/kWh et un rendement thermique de 27". Sur la figure 2 qui représente le cycle à régénéra- tion ou cycle de Rankine, les éléments correspondant à ceux de la figure 1 sont affectés des mêmes numéros de référence. Ce cycle comporte une pluralité d'échangeurs de chaleur 26 dans le conduit 16 et une pluralité de conduits de vapeur sortante 28 reliant la turbine 10 et les échangeurs 26 et adaptés de manière à fournir, aux échangeurs 26, de la va- peur sortante à différentes valeurs de température-pression, afin de préchauffer l'eau d'alimentation retournée au bouil- leur 20. Seule une partie de la vapeur sortante est conden- sée dans le condenseur 14, le reste de la vapeur étant uti- lisé pour préchauffer l'eau d'alimentation. 4 2604746 Ainsi qu'il est indiqué dans le tableau I ci-après, le cycle de Rankine de la figure 2 à un rendement sur l'énergie primaire de 10 605xO133/kWh et un rendement ther- mique de 34%. La figure 3 représente une forme d'exécution préfé- rée de l'appareil suivant l'invention qui constitue une combinaison du cycle conventionnel de la figure 2 et d'un cycle repressuriseur/réchauffeur indiqué d'une manière géné- rale par 30 et 32. Ainsi qu'il est indiqué dans les tableaux I et II ci-après, le cycle repressuriseur/réchauffeur de la figure 3 a un rendement sur l'énergie primaire de 4853x103J/kWh et un rendement de 74%. Lorsque ce cycle est combiné avec le cycle de Rankine de la figure 2, les valeurs globales du rendement sur l'énergie primaire et du rendement thermique sont augmentées notablement. Lorsque 20% de la vapeur sor- tante vont à la partie du cycle repressuriseur/réchauffeur de l'équipement tandis que 80% vont à la partie du cycle de Rankine, le rendement sur l'énergie primaire global est de B 651xlO3J/kWh et le rendement thermique global est de 39%, tandis que lorsque la répartition de la vapeur sortante est de 50%-50%, le rendement sur l'énergie primaire est de 6 330 xO13J/kWh et le rendement thermique est de 54%. Lorsque la vapeur sortante est répartie à raison de 80% vers la partie du cycle repressuriseur/réchauffeur et de 20% vers la partie du cycle de Rankine, le rendement sur l'énergie primaire est de 5 275x103J/kWh et le rendement est de 65%. Le repressuriseur comprend, comme on peut le voir sur les figures 4 et 5, une enveloppe torique 34 qui est montée de préférence horizontalement. Cette enveloppe com- porte des parties supérieure 36 et inférieure 38 pourvues de brides d'assemblage 40 et 42. Ces brides sont fixées l'une à l'autre, jusqu'à un degré de serrage assurant l'étanchéité à l'égard des fuites. au moyen de goujons 44 et d'écrous 46. Certain des goujons 44 sont vissés dans des sections file- tées d'étriers supports métalliques 48. Ces étriers font partie intégrante de plaques de base 50 qui sont fixées fermement, par exemple au moyen de goujons 52 et d'écrous 2604746 53, à un socle en béton approprié non représenté. Ainsi montée l'enveloppe 34 et son anneau de transport interne 56 sont ancrés à l'encontre de contraintes provenant des tubu- lures de liaison et afin de supprimer les vibrations de l'enveloppe 34 et de l'anneau 56. L'anneau de transport interne 56 est constitué d'un ensemble circulaire complet de disques d'étanchéité 5B équi- distants les uns des autres, qui sont reliés entre eux, à l'endroit de leurs centres, par des entretoises ou tiges d'espacement arquées 60. Les disques 58 sont usinés de ma- nière à présenter, dans leurs périphéries, des gorges à section droite rectangulaire 62 (comme on peut le voir sur la figure 6), gorges dans lesquelles sont engagés des an- neaux formant pistons 64. Les anneaux 64 ont un jeu latéral suffisant dans les gorges 62 pour permettre que ces anneaux se dilatent eux-mêmes diamétralement afin de s'appliquer contre la surface de l'alésage 66 de l'enveloppe, afin de maintenir la vapeur confinée et la pression de celleci dans les compartiments 68 entre les disques. Deux ensembles de conduits relient la turbine 110 et le repressuriseur 30. Un ensemble comprend des conduits ,72,74,76,78 transportant la vapeur extraite de la turbine dans des compartiments prédéterminés 68 entre les dis- ques. Les conduits 72,74,76,78 sont reliés à la partie inférieure 38 de l'enveloppe par l'intermédiaire d'orifices qui sont à fleur avec l'alésage 66 de l'enveloppe. Le conduit 70 se raccorde à la partie supérieure 36 de l'enve- loppe à travers un conduit 70A qui s'achève à un orifice 82 et un conduit 708 qui s'achève à un orifice 83. Le conduit A sert à transporter la vapeur à la pression la plus éle- vée vers les compartiments 68 en vue de leur pressurisation finale tandis que le conduit 70B sert à transporter la va- peur à la pression la plus élevée vers les compartiments 68 en un point situé plus loin, dans la séquence des positions en rotation, afin de forcer la vapeur à haute pression à l'extérieur des compartiments 38 pour la faire passer dans le conduit 84 en direction du réchauffeur 32. Les orifices 80 et 83 sont inclinés d'un certain angle vers l'avant dans la direction de la rotation de l'an- neau 56 de façon qu'une énergie faible ou nulle soit néces- saire pour entraîner l'anneau, autre que celle fournie par la vapeur passant à travers ces orifices. L'orifice 83 est pourvu d'une buse de sortie légèrement étranglée, inclinée d'un angle alpha entre l'axe de cette buse de sortie et l'axe de l'alésage 66 de l'enveloppe. L'angle alpha peut avoir une valeur allant d'environ 30o à environ 45o et il est représenté comme ayant une valeur de 38o. Le second ensemble de conduit de vapeur reliant la turbine 110 et le repressuriseur 30 comprend un conduit 84 qui s'étend entre le repressuriseur 30 et]e réchauffeur 32 et entre le réchauffeur 32 et la turbine 110, et des con- duits 86,88,90,92 qui s'étendent entre le repressuriseur et la turbine. Les conduits 84,86,88,90,92 transportent de la vapeur d'injection en direction de la turbine. Un conduit 94 décharge les compartiments 68 vidés de la vapeur ou le re- pressuriseur en direction d'un collecteur de vapeur d'échap- pement 96 de la turbine. Les conduits 84-94 sont reliés à la partie inférieure de l'enveloppe du repressuriseur. Les conduits 708 et 84 sont généralement alignés l'un avec l'au- tre et ils sont généralement inclinés du même angle par rapport au trajet de rotation de l'anneau 156. Les pressions de vapeur dans la turbine à pression mélangée, à l'endroit des extrémités de sortie des conduits 84,86,88,90,92, sont notablement inférieures aux pressions de la vapeur dans le repressuriseur à l'endroit des extré- mités d'entrée de ces conduits, ce qui produit par consé- quent le flux de vapeur exigé du repressuriseur vers la turbine. Les pressions de vapeur dans le repressuriseur, à l'endroit des extrémités de sortie des conduits ,72,74,76,78, sont sensiblement inférieures aux pressions de la vapeur de la turbine à l'endroit des extrémités d'en- trée de ces conduits, ce qui produit par conséquent le flux de vapeur exigé de la turbine vers le repressuriseur. 7 2604746 Le repressuriseur 30 n'agit pas comme une pompe. Dans chaque compartiment de l'anneau de transport les pres- sions de la vapeur sur les disques antérieur et postérieur 58 sont les mêmes. Le repressuriseur 30 agit en tant que transporteur pour déplacer des compartiments à pression de vapeur progressivement croissante entre les entrées des conduits 78 et 70 et pour déplacer des compartiments à pres- sion de vapeur progressivement décroissante entre les en- trées des conduits 84 et 92. Dans la nature progressive du chargement du repres- suriseur avec de la vapeur vive d'extraction provenant de la turbine, cette vapeur d'extraction a déjà délivré son énergie cinétique aux ailettes de la turbine. Cette vapeur est alors repressurisée à travers le repressuriseur, rd- chauffée à travers le réchauffeur et fournie à la turbine pour lui donner une énergie cinétique bien supérieure sans passer par le changement d'état en eau qui entraîne un gaspillage d'énergie du point de vue thermodynamique, dans un condenseur, comme cela se produit avec la vapeur d'échappement de la turbine dans le condenseur 114. En éliminant une portion notable de l'énergie perdue du cycle de vapeur de la figure 2 chargeable aux pertes de chaleur latente de la vapeur, la vapeur combinée de la forme d'exécution de l'invention de la figure 3 est rendue nots- blement plus efficace du point de vue rendement énergétique étant donné que le rendement du cycle repressuriseur/ré- chauffeur avoisine 80%. La fonction et le but essentiels du sous-système repressuriseur/réchauffeur consistent donc à transporter des charges compartimentées de vapeur partiellement détendue dans et à travers des étages d'alimentation en vapeur à pression plus élevée, vers un réchauffeur chauffé o l'en- thalpie de la vapeur est augmentée sensiblement afin de permettre sa réadmission dans une turbine à réintroduction de vapeur, afin de fournir de l'énergie additionnelle à une puissance de sortie plus élevée. 8 2604746 Un mécanisme d'entrainement électromagnétique est prévu pour faire fonctionner le repressuriseur à une faible vitesse et pour commander la vitesse de rotation du rotor ou de l'anneau 156. Les buts, fonction, agencement de construc- tion et mode de fonctionnement d'un tel mécanisme sont dé- crits en détail dans le brevet US 4 593 215. Le mécanisme d'entraînement électromoteur est cons- titué essentiellement par une paire de moteurs à induction polyphasés conventionnels, -disposés côte à côte. Les en- roulements 130 des inducteurs sont installés dans une par- tie évidée et arquée 132 du carter de la partie inférieure 38 du carter du repressuriseur et ils sont fixés fermement en position. Dans le sens périphérique les enroulements 130 et leurs noyaux magnétiques 133 s'étendent seulement sous la forme d'un demi-cercle partiel. Le rotor électromagnétique 134 est fabriqué sous la forme d'une paire d'anneau 136 disposés côte à côte, insérés dans le rotor ou l'anneau 156 du repressuriseur et fixés fermement à cet anneau de manière à se trouver en regard du circuit électromagnétique fixe des inducteurs comprenant les enroulements 130 et les noyaux magnétiques 133. Des évidements intermédiaire 138 dans l'enveloppe 132 du stator et dans le rotor 156 du re- pressuriseur sont remplis d'une matière plastique chargée résistant à une haute température, du type particules de fer/résine époxy, qui enferme et ancre latéralement les enroulements 130, les noyaux 133 et les anneaux 136 en pla- ce. Le courant électrique polyphasé est fourni aux induc- teurs par des conducteurs 142 isolés électriquement. Comme il est représenté sur la figure 8 et d'une manière plus détaillé dans le brevet US 4 593 215, la dis- position des enroulements 130 des inducteurs assure des polarités magnétiques opposées afin de fournir des courants rotoriques induits opposés qui servent à s'opposer à l'ap- parition, dans les disques 58, de courant de chauffage para- sites indésirables. La figure 3 indique des conditions typiques de tem- pérature et/ou pression en fonctionnement pour]a vapeur pénétrant dans la turbine 110 et sortant de celle-ci. 9 2604746 Dans la portion de cycle conventionnel ou de Rankine de la figure 3 les éléments correspondant à ceux représentés sur les figures 1 et 2 sont identifiés avec des numéros de référence correspondants plus 100. La vapeur principale à une pression de 6,894MPa et à une température de 482oC est envoyée à la turbine 110 à travers le conduit 124. La vapeur d'échappement provenant de la turbine est condensée dans le condenseur 114. Le conden- sat passe dans un conduit 116, il est pompé à travers des échangeurs de chaleur 126 o il est chauffé à une tempéra- ture de 224oC, et il est ensuite pompé vers et dans le bouilleur 120. La vapeur provenant du bouilleur passe à travers le conduit 124 et le surchauffeur 122 pour arriver à la turbine. La vapeur d'extraction provenant de la turbine passe à travers des conduits 128 en direction des échangeurs de chaleur 126 à des températures et pressions respectivement de 2,757MPa et 224oC, 1,93OMPa et 210oC, 1,034MPa et 182oC et 0,138MPa et ll0oc, comme il est indiqué sur la figure 3. De la vapeur d'extraction à une pression de 5,170MPa pour le conduit 70, à une pression de 2,757MPa pour le con- duit 72, à une pression de 1,9301lPa pour le conduit 74, à une pression l, 034MPa pour la tubulure 76 et à une pression de 0,138Mpa pour la tubulure 78 est envoyée au repressuri- seur 30 à partir de la turbine 110. De la vapeur d'injection à une pression de 4,653MPa pour le conduit 84, à une pression de 2,102MPa pour le con- duit 86, à une pression de 1,585MPa pour le conduit 88, à une pression de 0,827MPa pour le conduit 90 et à une pres- sion de 0,482MPa pour le conduit 92 est envoyée à la tur- bine à partir du repressuriseur 30. Puisque la vapeur à une pression de 5,17OMPa dans le conduit 70 déplace la vapeur à partir des compartiments 68 de l'anneau vers et dans le conduit 84, la pression initiale dans ce conduit 84 est également de 5,17OMPa. Comme le con- duit 84 passe à travers le surchauffeur 32 et atteint la turbine 110, la pression de la vapeur dans celle-ci a chuté à 4,653MPa par suite des pertes par frottement. (3ntIlVddi N3 IN3W3IN3S38d 3nN3190 31VWlldO Ufl31VA) LT66,l %OOT 9LZ % 09 9OZ,0O8 0úú9 %o %0 %0i T998 'O6 %0,O z ( qM)i/r oI) úç >jo) unf3JinfVH338 3UIVWIdd 3IO83N3,1 3nIWU3Hl 3NIMNVd /Un3SIUnSS3Ud38 nfS IN3W3oN38 IN3W3GN38 30 313J3 3139J S3NIOW03 fn3JJnVHD3U/dn3SIfnSS38d3H 13 3NIMNV 3O S319JA3 II NlV31Vl NOIIVSIlNS LIqM>/C óOTX 8 9 L -S3Ud3d/39VJJdfnVH338 4Mi/C VOXx090T %,X( (3NINNVU) NOIIVd3N3038 lMI/Cr OIX86úúi %LZ 3133dIQ NOIIVSN3GNO3 3UIVWIUd 3IdOU3N3,1 3fnlIW3H1 fnS IN3W3GN38 IN3W3GN3d 393A3 S313A3 S3a NOSIVUWVdWO3 3nfOIWJ83Hl 3I9Dd3N3 I nlV319Vl or ggZOgZ REVENDICATIONS 1.- Dispositif pour la combinaison d'une génératrice électrique et d'une machine à vapeur pour l'entraînement de cette génératrice, caractérisé en ce qu'il comprend des premiers moyens (30) pour repressuriser de la vapeur déten- due partiellement provenant de la turbine (110), des deu- xième moyens (32) pour réchauffer la vapeur repressurisée et des troisième moyens (84) pour fournir la vapeur repressu- risée et réchauffée vers et dans la turbine, afin d'entrai- née celle-ci, dans des conditions de pression et de tempéra- ture plus élevées que celles propres à la vapeur partiel- lement détendue, les premiers moyens (30) comprenant une enveloppe continue (34) en circuit fermé, un rotor transpor- teur (56) logé dans cette enveloppe et comportant des dis- ques (58) espacés les uns des autres et reliés les uns aux autres, pour définir, avec l'enveloppe, des compartiments (68) de transport de la vapeur, une pluralité de conduits (70,72,74,76,78) reliant différents postes d'extraction de vapeur dans la turbine à différents postes d'injection de vapeur dans l'enveloppe de telle façon que les compartiments (68) puissent recevoir de la vapeur dans des conditions de pression croissant progressivement, un conduit (84) reliant le compartiment (68) soumis à la pression de vapeur la plus élevée aux seconds moyens (32) tandis que la vapeur d'ex- traction à plus haute pression est introduite dans ce com- partiment si bien que la vapeur pressurisée contenue dans ce compartiment (68) est déplacée vers et dans les seconds mo- yens (32), à travers ceux-ci et à travers les troisièmes moyens (84) jusqu'à un poste d'injection à haute pression de la turbine, et un ou plusieurs conduits (86,88,90,92) a- daptés pour relier ensuite ce compartiment (68) à un ou plu- sieurs autres postes d'injection à pression plus basse dans la turbine. 12 2604746 1I2 2.- Dispositif suivant la revendication 1 caracté- risé en ce que les conduits (70,72,74,76,78) allant à l'en- veloppe (34) sont pourvus de buses de sortie adaptées de manière à entraîner le rotor transporteur (56) au moyen de la vapeur fournie à l'enveloppe à travers ces buses. 3.- Dispositif suivant la revendication 2 caracté- risé en ce que le rotor est pourvu en outre d'un dispositif d'entraînement comprenant un moteur à induction polyphasé porté par l'enveloppe (36) et le rotor (56), ce moteur com- portant des portions d'enroulement inducteur (130) et de noyaux (133) portés par l'enveloppe (36) et comportant des poles côte à côte de polarités opposées afin de réduire au minimum le chauffage de l'enveloppe et du rotor par des courants parasites. 4.- Procédé pour diminuer le rendement sur l'énergie primaire et augmenter le rendement thermique d'un système à génératrice et à turbine entraînée par un cycle de vapeur à régénération caractérisé en ce qu'on extrait de la vapeur partiellement détendue à partir de la turbine (110), à l'en- droit d'une pluralité de postes d'extraction à des valeurs de température et de pression différentes qui sont intermé- diaires entre celles de la vapeur principale fournie à la turbine (110) et celle de la vapeur qui a passé à travers cette turbine, à recevoir et h transporter la vapeur à par- tir de l'un des postes d'extraction o règnent des valeurs de température et de pression de vapeur inférieures, entre des postes d'entrée et de décharge, on rep-ressurise la vapeur ainsi transportée en injectant, dans cette vapeur, de la vapeur provenant d'un autre poste d'extraction o règnent des valeurs de température et de pression de la vapeur supérieures, on reçoit la vapeur pressurisée à partir du poste de décharge et on la réchauffe, et on transporte la vapeur repressurisée et réchauffée vers la turbine pour l'injecter dans celle-ci et la mélanger avec la vapeur de travail dans cette turbine.