Brevet FR2671135A1 — publié le 19920703

CENTRALE A CYCLE DE RANKINE UTILISANT UN FLUIDE ORGANIOUE ET PROCEDE DE MISE EN OEUVRE La présente invention concerne une centrale à cycle de Rankine utilisant un fluide organique; elle concerne aussi le procédé de mise en oeuvre. Les centrales d'énergie qui fonctionnent selon le cycle de Rankine et utilisant un fluide organique sont bien connues. Dans de telles centrales, le fluide organique est évaporé dans un évaporateur ou une chaudière chauffée au fuel ou par une source géothermique ou un procédé industriel; et le fluide évaporé est détendu dans un turbogénérateur pour produire un fluide appauvri en énergie et en chaleur qui est condensé dans un condenseur refroidi par air ou par eau, pour produire un liquide moteur qui retourne dans l'évaporateur grâce à une pompe. Le fluide moteur est choisi pour avoir des propriétés thermodynamiques pour le cycle, telles que capacité thermique, stabilité aux températures d'utilisation, etc.., et pour être compatible avec les métaux utilisés dans les turbines et installations traditionnelles. De plus, le fluide moteur doit avoir de bonnes propriétés de lubrification car la turbine, aussi bien que le générateur lui étant couplé, constitue un ensemble scellé hermétiquement dans lequel le liquide actif du condenseur joue le rôle de lubrifiant. Généralement, le fluide moteur utilisé est un hydrocarbure, tel que du pentane ou de l'hexane, ou un isomère tel que de l'isopentane ou de l'isohexane. D'autres fluides chimiques bien définis peuvent aussi être utilisés. Mais dans chaque cas, le fluide moteur doit être disponible commercialement et être un matériau pur ayant des propriétés définies et connues pour être utilisé dans une centrale d'énergie. Quelquefois, des mélanges d'hydrocarbures sont utilisés pour leurs propriétés spécifiques, tel que cela est décrit dans le brevet américain n" 3,842,593 et selon lequel le mélange spécifique d'hydrocarbure permet à la centrale d'énergie de fonctionner en-dessous des conditions ambiantes qui ne permettraient pas l'utilisation d'un matériau pur. Le fluide ou le mélange de fluides choisi doit avoir des propriétés physiques bien définies car le fournisseur de fluide organique pour centrales à cycle de Rankine doit garantir la production d'une quantité de chaleur par unité de temps prédéterminée. Ce ou ces fluides choisis ont les propriétés désirées s'ils sont choisis conformément aux normes ou standards internationaux. Ces fluides sont facilement disponibles dans la plupart des pays du monde; mais il existe beaucoup d'endroits où les fluides purs nécessaires sont excessivement chers, ou lorsqu'utilisés dans un environnement de centrales énergie, sont la cause de problèmes de réglementation officielle, par manque d'un précédent historique concernant leur utilisation dans de telles conditions. Quelques fluides organiques théoriquement utilisables dans le cadre de centrales d'énergie, sont considérablement moins chers ou plus facilement disponibles que ceux utilisés généralement, mais ces fluides sont généralement des mélanges dont les caractéristiques de pression, de volume et de température sont inconnues ou varient énormément d'un endroit à l'autre, et d'un moment à un autre. Aussi, le fabricant ne peut jamais être certain que de tels fluides donneront à la centrale, les performances que donnerait l'utilisation d'un fluide pur dont les propriétés sont définies. Par exemple, l'essence pour moteur à explosion est l'un des fluides les plus omniprésents du monde, depuis les pays hautement industriels jusqu'aux pays les plus pauvres du tiers-monde. Dans certains pays, l'essence est plus disponible que l'eau, et son accueil par le public et les règlementations gouvernementales concernant le stockage et l'utilisation de l'essence sont bien définies, comparées à bon nombre d'autres, tels que les fluides organiques exotiques proposés pour les centrales d'énergie à cycle Rankine. Cependant, l'utilisation de l'essence ou autre hydrocarbure comprenant plusieurs fractions n'est pas un choix viable pour une centrale d'énergie à cycle de Rankine, comptetenu de l'incertitude liée aux propriétés thermodynamiques d'un lot d'essence particulier à un endroit déterminé, à un moment donné.Le constructeur ne peut connaître d'avance les propriétés thermodynamiques d'un lot d'essence qui sera livré à une centrale d'énergie pour sa mise en route ou plus tard en tant que fluide moteur d'appoint ou de compensation; et pourtant, sa conception ne peut pas tenir compte des variations possibles qui pourraient survenir. La présente invention propose également une méthode et des moyens, pour utiliser dans une centrale à cycle de Rankine, des fluides organiques, tels que des essences, qui sont bien connus, facilement disponibles, acceptables, indépendamment des variations possibles des propriétés thermodynamiques, d'un moment à un autre et d'un lieu à un autre. Ainsi, la présente invention concerne une centrale d'énergie à cycle de Rankine du type comprenant un évaporateur chauffé pour évaporer un fluide moteur et produire un fluide moteur évaporé, un turbogénérateur fonctionnant au fluide moteur ainsi évaporé pour fournir de l'énergie et produire un fluide moteur chaud appauvri, un condenseur pour ledit fluide moteur appauvri afin de le condenser et produire un condensat, et des moyens pour ramener ledit condensat à l'évaporateur. Le fluide moteur est du type d'un liquide ayant plusieurs fractions, et la présente invention propose une extraction par distillation d'au moins une fraction dudit liquide pour produire un fluide distillé. C'est le fluide distillé qui alimente la centrale d'énergie en tant que fluide moteur. Le fluide distillé est une liquide qui est introduit dans la centrale et la fait fonctionner; et l'un au moins des éléments de la centrale, soit l'évaporateur, soit le condenseur, ou les deux, est utilisé pour distiller une fraction dudit liquide pour produire ledit fluide distillé. Dans un tel cas, la dernière fraction est retirée de la centrale dont ltexploitation se poursuit ensuite en utilisant le fluide distillé. Il en résulte que le fluide moteur approprié pour le fonctionnement en régime permanent est la fraction principale du liquide dont les propriétés thermodynamiques sont bien connues et reproductibles. Avantageusement, le liquide est de l'essence. L'enlèvement des fractions à bas point d'ébullition par l'évaporateur, et des fractions à point d'ébullition élevé par le condenseur, résulte en un fluide dont les propriétés sont bien connues. Alternativement, les fractions à point d'ébullition élevé peuvent être enlevées de l'évaporateur, et les fractions à bas point d'ébullition peuvent être enlevées du condenseur.Cependant, bien que les propriétés du liquide avant la mise en marche de la centrale d'énergie, n'étaient pas connues, ou connues à un degré moindre, après l'exécution des procédures de distillation utilisant l'évaporateur et le condenseur comme colonnes de fractionnement, et après l'enlèvement des fractions à point d'ébullition élevé et à bas point d'ébullition, le fluide moteur restant agira d'une manière qui assurera la production d'une puissance normale de fonctionnement. Selon une variante de l'invention, la température et la pression dans les éléments sont contrôlées, et les quantités desdites fractions dans ledit distillat sont adaptées, en fonction de la température et de la pression contrôlées dans lesdits éléments, de façon à ce que le débit volume au travers de la centrale d'énergie reste sensiblement constant. Un mode de réalisation de la présente invention est représenté à titre d'exemples, dans les dessins annexés, dans lesquels La figure 1 est un diagramme fonctionnel d'un centrale d'énergie à cycle de Rankine selon l'invention, utilisant un fluide organique; La figure 2 est une représentation schématique d'une technique selon l'invention, destinée à maintenir une sortie de puissance nominale de la centrale d'énergie de la figure 1, avec un réglage du flux massique du fluide moteur; et La figure 3 est une représentation schématique d'une autre technique selon la présente invention, destinée à maintenir une sortie de puissance nominale à la centrale d'énergie de la figure 1, avec un réglage du flux massique du fluide moteur. En référence aux dessins, la référence (10) désigne une centrale à cycle de Rankine utilisant un fluide organique selon la présente invention. Ladite centrale d'énergie (10) comprend un élément d'évaporation (12) ou évaporateur chauffé par un brûleur (14) fournissant de la chaleur pour évaporer le fluide moteur organique (16) et produire un fluide moteur évaporé dans un conduit d'échappement (18) connecté par un noeud (19) à un conduit (20) connecté à l'étage d'admission d'une turbine (21) d'un turbogénérateur (22). Le fluide moteur évaporé se dilate dans la turbine (21) produisant un fluide moteur chaud appauvri qui est fourni au condenseur (24) dans lequel se fait la condensation du fluide moteur chaud appauvri. Le condenseur (24) peut être refroidi par de l'air ou de l'eau; et le condensat (25) dudit condenseur retourne à l'évaporateur (12) grâce à une pompe (26) pour compléter le cycle de fluide organique.Un générateur (23) couplé à la turbine (21) est, de ce fait, commandé et l'expansion du liquide moteur dans la turbine produit de l'électricité. Les composants et le fonctionnement décrits précédemment sont traditionnels et bien connus en soi, à l'exception de la nature du fluide utilisé. Antérieurement à la présente invention, le fluide actif aurait pu être un fluide organique pur, tel que du pentane ou de l'isopentane, ayant des propriétés thermodynamiques bien définies qui permettaient au constructeur de produire un débit de vapeur choisi, au travers de la turbine. Selon la présente invention, le fluide moteur peut être un hydrocarbure ayant plusieurs fractions, tel que l'essence dont les propriétés, et en fait, dont les constituants varient d'un instant à un autre et d'un endroit à un autre, étant donné les variations des diverses fractions présentes dans l'essence. Afin d'utiliser un hydrocarbure tel que l'essence, un réservoir d'appoint (30) est employé qui est suffisamment rempli d'hydrocarbure pour permettre à la centrale d'être alimentée en fluide moteur pour le démarrage. A cet effet, une vanne (V5) est disposée entre le réservoir (30) et la pompe (26). Ainsi, pour alimenter la centrale d'énergie en fluide moteur lors de sa mise en route lorsqu'il n'y a pas de fluide moteur dans l'évaporateur ou ailleurs dans l'installation, la vanne (V5) est ouverte et la pompe (26) est mise en route pour remplir l'évaporateur (12) de suffisamment de liquide pour alimenter ladite centrale. La vanne (V6) est ensuite ouverte pour fournir de la chaleur à l'évaporateur. Les fractions à bas point d'ébullition dans le liquide de l'évaporateur finissent de bouillir en premier en maintenant, si souhaité, la température dans l'évaporateur, plus basse que le niveau de construction jusqu'à ce que sensiblement toutes les fractions à bas point d'ébullition soient évaporées. Durant tout ce temps, la valve (V1) est ouverte, et la plupart des fractions à bas point d'ébullition sont canalisées dans un réservoir de maintien (32). Une valve auxiliaire (non représentée) pouvant bloquer l'entrée de ces fractions dans la turbine. Afin de détecter l'évaporation des fractions à bas point d'ébullition et permettre le contrôle d'une telle évaporation, des capteurs de température et de pression représentés sous la référence numérique (33) peuvent être disposés dans l'évaporateur (12). Lorsque la température et la pression détectées par le capteur (33) atteignent un niveau indiquant que les fractions à bas point d'ébullition ont été enlevées du liquide de l'évaporateur, la vanne (V1) est fermée, et les vapeurs alors produites sont admises dans le condenseur (24) par la vanne d'ouverture (V7). La vapeur qui entre dans le condenseur (24) est à une température et une pression presque égales à la vapeur qui sort de l'évaporateur. Le condenseur (24) condense le fluide moteur évaporé, en liquide. La première portion du liquide qui condense sera les fractions à point d'ébullition élevé, et celles-ci sont dirigées dans le réservoir de retenue (34) par une vanne d'ouverture (V3). La fermeture de la vanne (V3) peut être obtenue par le contrôle de la température et de la pression par les capteurs (35). A ce stade, la centrale peut être mise en service, ce qui signifie que les vannes (V1, V2, V3, V4, V5 et V7) sont fermées, et le fluide moteur qui circule dans l'évaporateur, la turbine et le condenseur, est les fractions de point d'ébullition moyen de l'hydrocarbure d'origine dans la réservoir d'appoint (30). Pour un fonctionnement efficace de la centrale et une production de puissance normale, la température et la pression dans l'évaporateur et dans le condenseur peuvent être ajustées pour produire le flux massique. Ces paramètres sont captés par les capteurs (33) et (35) et les valeurs sont données par une unité de contrôle (36) qui peut être un ordinateur ou un calculateur ayant pour objet, le contrôle des différentes vannes de l'installation. Les fluides des réservoirs de maintien et de retenue (32) et (34) sont distribués dans le système, de façon à permettre le réglage des températures et des pressions afin d'optimiser le rendement électrique de la centrale d'énergie. De telles opérations peuvent être nécessaires en été ou en hiver; quand par exemple la température ambiante varie et provoque une altération de la température de refroidissement du produit de refroidissement du condenseur, tel que l'eau ou l'air. Ces opérations sont similaires à celles développées dans le brevet américain n" 3,842,593 dont l'objet est mentionné ici, par référence.Ainsi, par exemple si en été, la température ambiante s'élève, provoquant une augmentation de la température du produit de refroidissement du condenseur, plus de fractions à point d'ébullition élevé peuvent être introduites dans le système. D'autre part, en hiver par exemple, lorsque la température ambiante baisse, occasionnant une baisse de température du produit de refroidissement du condenseur, plus de fractions à bas point d'ébullition peuvent être introduites dans le système. Alternativement ou par surcroît, le dispositif représenté à la figure 2, peut être utilisé. Dans ce cas, l'étage d'admission de la turbine est pourvu d'une succession de tuyères (51, 52, 53) alimentées par l'évaporateur par l'intermédiaire de vannes (Va, Vb, Vc) contrôlées individuellement par l'unité de contrôle (36) de telle sorte que le pourcentage d'admission à la turbine soit contrôlé de manière à optimiser le rendement de la centrale. Selon une autre option, la variante d'exécution représentée à la figure 3 peut être utilisée. Selon cette variante, l'étage d'admission (22b) de la turbine est POURVU d'une tuyère (51b) alimentée par la vapeur fournie par l'évaporateur (12). La vapeur sortant de l'étage (22b) passe à l'étage suivant (22c) de la turbine par une tuyère (51c). La vapeur sortant de cedit étage s'écoule dans l'étage (22d) grâce à la tuyère (51d). Les angles de sortie des différentes tuyères (5 lob, 51c, 51d) sont réglables, les angles étant réglés respectivement par les unités de contrôle (36b, 36c, 36d), de façon à contrôler la diminution de pression, et en conséquence, le flux massique dans les différents étages. Alors qu'un brûleur conventionnel pour brûler le carburant est représenté comme source de chaleur pour l'installation, il va de soi que d'autres types de sources de chaleur, tels que des fluides géothermiques, pourraient également être utilisés dans la présente invention. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés à titre d'exemples, mais elle comprend aussi tous les équivalents techniques ainsi que leurs combinaisons. REVENDICATIONS 1. Procédé pour la mise en action d'une centrale d'énergie à cycle de Rankine du type, comprenant un élément d'évaporation (12) chauffé pour évaporer un fluide moteur et produire un fluide moteur évaporé, un turbogénérateur (22) destiné au fluide moteur ainsi évaporé pour fournir de l'énergie et produire un fluide moteur chaud appauvri, un condenseur (24) destiné audit fluide moteur appauvri pour le condenser et produire un condensat, et des moyens (26) pour ramener ledit condensat à l'évaporateur (12), ledit procédé comprenant les étapes suivantes a) pourvoir un liquide ayant plusieurs fractions; b) extraire par distillation au moins une fraction dudit liquide pour produire un fluide distillé, et c) alimenter la centrale d'énergie avec ledit fluide distillé, en tant que fluide moteur. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend a) la mise en service de la centrale d'énergie avec ledit liquide; b) l'utilisation d'un élément de la centrale d'énergie pour distiller une fraction dudit liquide pour produire ledit fluide distillé, et c) l'enlèvement de la dernière fraction indiquée de ladite centrale d'énergie, et la mise en service de celle-ci avec ledit fluide distillé. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend a) la mise en service de la centrale d'énergie avec ledit liquide; b) l'utilisation d'un élément de la centrale d'énergie pour distiller des fractions à bas point d'ébullition et à point d'ébullition élevé dudit liquide pour produire ledit fluide distillé, et c) l'enlèvement desdites fractions à bas point d'ébullition et à point d'ébullition élevé de ladite centrale d'énergie, et la mise en service de celle-ci avec ledit fluide distillé. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit liquide est de l'essence. 5. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend a) le contrôle de la température et de la pression dans les éléments, et b) un changement de la quantité desdites fractions dans ledit fluide distillé en fonction de la température et de la pression contrôlées dans lesdits éléments, de façon à ce que le débit de l'écoulement au travers de la centrale d'énergie reste sensiblement constant. 6. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit turbogénérateur (22) a des paramètres réglables qui contrôlent la sortie de puissance, ledit procédé comprenant: a) le contrôle de la température et de la pression dans les éléments, et b) un réglage des paramètre du turbogénérateur (22) en fonction de la température et de la pression contrôlées dans lesdits éléments, de façon à ce que le débit de l'écoulement au travers de la centrale d'énergie reste sensiblement constant. 7. Centrale à cycle de Rankine destinée à mettre en oeuvre le procédé, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'elle comprend a) un élément d'évaporation (12) pour évaporer un fluide moteur et produisant un fluide moteur évaporé; b) un turbogénérateur (22) sensible au fluide moteur évaporé (20) pour créer de l'énergie et produire un fluide moteur chaud appauvri; c) un élément condenseur (24) destiné audit fluide moteur chaud et à appauvrir pour le condenser et produire un condensat (25). d) des moyens (26) pour ramener ledit condensat à l'évaporateur (12); e) un réservoir d'appoint (30) contenant un liquide à plusieurs fractions; f) des moyens associés audit élément d'évaporation pour retirer du liquide de l'évaporateur, les fractions dont les points d'ébullition sont plus élevés qu'une valeur prédéterminée; h) des moyens associés audit condenseur pour retirer du liquide du condenseur, les fractions dont les points d'ébullition sont inférieures à une valeur prédéterminée; i) des moyens de stockage des fractions retirées sous forme liquide. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend a) des moyens pour contrôler la température et la pression dans les éléments, et b) des moyens pour échanger sélectivement le liquide entre les moyens de stockage et l'élément d'évaporation en réponse au contrôle de la température de façon à maintenir la sortie de puissance du turb ogénérateur. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit fluide moteur est un hydrocarbure. 10. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit fluide moteur est de l'essence.