Brevet FR2916240A1 — publié le 20081121

La présente invention se rapporte à un système de production d'énergie, notamment d'énergie électrique, comprenant une turbine à gaz avec un compresseur, une turbine de détente et un dispositif permettant de chauffer les gaz comprimés sortant du compresseur pour les envoyer vers la turbine de détente. La production d'énergie électrique résulte généralement d'une génératrice qui est couplée à la turbine de détente de cette turbine à gaz. La source de gaz chauds utilisée pour ce système de production d'énergie peut provenir d'une récupération de chaleur à haute température sur un procédé industriel, comme un four, ou d'une combustion d'un combustible solide, tel que la biomasse, dans un dispositif de chambre de combustion de type brûleur. II est déjà connu, notamment par le document WO 02/055855, un tel système qui utilise, en tant que dispositif de chauffage des gaz comprimés, un échangeur de chaleur parcouru, d'une part, par les fumées chaudes issues d'un brûleur qui utilise un combustible sur la base de biomasse et, d'autre part, par les gaz comprimés sortant du compresseur. De ce fait, les calories véhiculées par les fumées sont transmises aux gaz comprimés de façon à ce que ces gaz parviennent à la turbine de détente avec une température et une pression suffisante pour la faire tourner. Sous l'impulsion de cette rotation, cette turbine entraîne un générateur de courant, généralement une génératrice, à laquelle elle est couplée. Ce type de système bien que donnant satisfaction présente néanmoins des inconvénients non négligeables. En effet, l'échangeur de chaleur utilisé ne permet pas de transférer une quantité suffisante de calories pour augmenter de façon conséquente la température des gaz comprimés et comme cela est largement connu, plus la température des gaz envoyés à la turbine de détente est élevée, plus le rendement électrique augmente. De ce fait le rendement électrique obtenu par ce système est relativement modeste, inférieur à 20 %. En outre, la technologie des échangeurs conventionnellement utilisée dans un tel système, comme les échangeurs à tubes, est peu adaptée à cette application. Les tubes doivent être en aciers spéciaux pour résister aux hautes températures, ce qui rend ces équipements très coûteux. De plus, la température maximale atteinte par les gaz comprimés en sortie de l'échangeur reste limitée à 750 C, ce qui ne permet pas d'obtenir un bon rendement électrique sur l'installation. La présente invention se propose de remédier aux inconvénients mentionnés ci-dessus grâce à un système de production d'énergie électrique qui permette d'obtenir un haut rendement énergétique en utilisant un échangeur de chaleur de hautes performances pouvant augmenter les températures de chauffage des gaz comprimés. A cet effet, la présente invention concerne un système de production d'énergie, notamment électrique, comportant une turbine à gaz avec au moins un compresseur à au moins un étage de compression, au moins une turbine de détente, un échangeur de chaleur entre ledit compresseur et ladite turbine de détente, et une source de gaz chauds, caractérisé en ce que l'échangeur est un échangeur régénératif rotatif parcouru par les gaz chauds provenant de ladite source et par des gaz comprimés provenant dudit compresseur. L'échangeur régénératif rotatif peut comporter un disque avec une multiplicité de secteurs radiaux parcourus alternativement par lesdits gaz chauds et par lesdits gaz comprimés. L'échangeur régénératif peut comporter des boîtiers d'entrée de gaz comprimés et de gaz chauds et des boîtiers de sortie de gaz comprimés et gaz chauds. Le système de production d'énergie électrique peut comprendre un générateur de fluide chaud traversé par les gaz chauds sortant de l'échangeur. Le système de production d'énergie électrique peut comprendre un générateur de fluide chaud placé entre le compresseur et l'échangeur. Le compresseur peut comprendre au moins deux étages de compression et un générateur de fluide chaud peut être disposé entre les deux étages. De manière préférentielle, la source de gaz chauds peut comprendre une chambre de combustion. La chambre de combustion peut comprendre au moins une entrée d'air 15 provenant de la turbine de détente. La chambre de combustion peut comprendre au moins une entrée d'air frais. 20 L'entrée d'air frais peut être reliée par une ligne à la turbine de détente et cette ligne peut traverser un radiateur de refroidissement. La chambre de combustion peut comprendre une admission d'un combustible solide. De manière avantageuse, le combustible peut comprendre de la biomasse. La source de gaz chauds peut provenir d'une récupération de chaleur à 30 haute température sur un procédé industriel 25 Préférentiellement, l'échangeur de chaleur est un échangeur régénératif rotatif de type séquentiel. Les autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux décrits à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre uniquement illustratif et non limitatif, et en se référant aux dessins sur lesquels : - la figure 1 est un schéma illustrant le système de production d'énergie électrique selon l'invention ; - la figure 2 est une vue de détail en perspective de l'échangeur de chaleur utilisé dans le système selon l'invention ; - la figure 3 est un schéma d'une première variante du système de la figure 1 ; - la figure 4 est un schéma illustrant une autre variante du système de la figure 3 et - la figure 5 est un schéma illustrant une autre variante du système de la figure 4. Sur la figure 1, le système de production d'énergie comprend une turbine à gaz 10 avec un compresseur de gaz 12 à au moins un étage de compression, un échangeur de chaleur 14 de type régénératif dont le descriptif sera plus détaillé dans la suite de la description, une turbine de détente 16 reliée par un arbre 18 au compresseur, et un moyen de production d'énergie électrique 20 commandé par la turbine de détente. Dans l'exemple de la figure 1, ce moyen de production d'énergie électrique comprend une génératrice électrique 22 reliée par un arbre 24 à la turbine de détente 16. Le compresseur comprend une entrée de gaz, ici de l'air extérieur 26, raccordée à une ligne d'entrée d'air 28 et une sortie d'air comprimé 30 reliée par une ligne 32 à une entrée d'air comprimé 34 de l'échangeur 14. La sortie d'air comprimé 36 de cet échangeur est reliée par une ligne 38 à l'entrée 40 de la turbine de détente 16. La sortie 42 de cette turbine est reliée à une ligne 44 qui permet d'évacuer les gaz détendus chauds vers tous moyens appropriés. L'échangeur 14 comprend une entrée 46 de gaz chauds, comme celle qui peut provenir d'une récupération de chaleur à haute température sur un procédé industriel ou d'une combustion d'un combustible solide, et qui est connectée par une ligne 48 à la source de ces gaz chauds. Après avoir parcouru cet échangeur, les gaz chauds sont évacués par une sortie 50 et une ligne 52 vers tous moyens d'évacuation et de traitement, comme une cheminée (non représentée). La figure 2 montre un exemple de réalisation de l'échangeur de chaleur régénératif qui est basé sur le principe des échangeurs rotatifs de type Lugjstrôm, comme cela est décrit à titre d'exemple dans le document US 1 522 825. Cet échangeur comprend un disque rotatif d'échange de chaleur 54 entraîné en rotation autour de son axe XX pour tous moyens connus, comme un moteur électrique (non représenté), en un mouvement continu ou séquentiel. Ce disque est partagé par des cloisons radiales 56 en une multiplicité de secteurs d'échange radiaux 58, ici douze secteurs de 30 chacun, qui vont être alternativement parcouru par de l'air comprimé sortant du compresseur 12 et par les gaz chauds provenant de la ligne de gaz chauds 48. Chaque secteur comprend une matière permettant le stockage et le déstockage des calories, comme une céramique de type mullite ou cordiérite. Comme illustré sur la figure 2, chaque face du disque est en relation avec des boîtiers fixes d'entrée et de sortie de fluide. Ainsi, la face 60, celle considérée à gauche de la figure 1, est en relation avec un boiter d'entrée d'air comprimé 62 portant l'entrée 34 connectée à la ligne 32 et avec un boîtier de sortie de gaz chauds 64 portant la sortie de gaz chauds 50 raccordée à la ligne 52. Sur l'autre face 66, sont placés un boîtier de sortie d'air comprimé 68 avec la sortie 36 raccordée à la ligne 38 et un boîtier d'entrée des gaz chauds 70 comprenant l'entrée des gaz chauds 46 raccordée à la ligne 48. De manière avantageuse, chaque boîtier présente une forme de demi-lune et deux boîtiers sont disposés sur chaque face du disque, chacun en vis à vis l'un de l'autre, de façon à ce que ces deux boîtiers recouvrent la totalité de la face considérée du disque. Préférentiellement, des dispositifs sont prévus pour assurer l'étanchéité entre chaque face et les boîtiers, et ce d'une manière quasi parfaite entre les différentes pièces. Notamment, ces dispositifs d'étanchéité peuvent être ceux qui sont décrits dans le brevet US 5 259 444. 10 A titre d'exemple, il est prévu une rotation séquentielle du disque 54 de l'ordre du quart de tour. Ainsi, les secteurs 58 d'une moitié supérieure du disque (en considérant la figure 2) sont parcourus par les gaz chauds entre l'entrée 46 et la sortie 50 en captant les calories que contiennent ces gaz pour devenir des 15 secteurs à haute température alors que les secteurs 58 de l'autre moitié sont parcourus par l'air comprimé sortant du compresseur entre l'entrée 34 et la sortie 36 de façon à chauffer à une température élevée cet air comprimé grâce aux calories contenues dans ces différents secteurs 66. Cette position est maintenue pendant une durée suffisante et nécessaire pour que, d'une part, les 20 fumées se refroidissent en transmettant le maximum de calories aux constituants de chaque secteur de la moitié supérieure du disque et, d'autre part, que les calories contenues dans les secteurs de la moitié inférieure du disque soient transmises à l'air comprimé pour le chauffer à une température élevée. 25 Au terme de cette durée, le disque est ensuite entraîné en un mouvement de rotation d'un quart de tour autour de son axe XX sous l'impulsion du moteur électrique et reste dans cette position pendant une durée suffisante et nécessaire, comme mentionné précédemment. Ce mouvement de rotation d'un quart de tour se répète ensuite tout au long du fonctionnement de la turbine. 30 Lors du fonctionnement du système illustré à la figure 1, l'air extérieur, de préférence à température et pression ambiantes, est admis à l'entrée 26 du5 compresseur 12 pour y être comprimé. Cet air comprimé est ensuite envoyé par la ligne 32 à l'entrée 34 de l'échangeur régénératif rotatif pour y être chauffé, comme mentionné ci-dessus. Il en ressort avec une haute température (de l'ordre de 900 C) pour être amené par la ligne 38 à l'entrée 40 de la turbine de détente 16. Cet air comprimé très chaud produit une rotation de cette turbine qui entraîne à son tour en rotation le compresseur 12 par l'arbre 18 et la génératrice 24 par l'arbre 26. L'air détendu sortant de la turbine de détente 16, qui est sensiblement à la pression atmosphérique, est envoyé par la ligne 44 vers tous moyens appropriés. Les gaz chauds, qui sont envoyées par la ligne 48 dans l'échangeur 14, traversent cet échangeur entre l'entrée 46 et la sortie 50 en cédant une très grande partie de leur chaleur à une partie des secteurs 58 du disque 54. Les gaz refroidis ressortent de l'échangeur 14 pour être amenés par la ligne 52 vers la cheminée. Grâce à ce système, il est possible d'obtenir, pour l'échangeur de chaleur 14, une efficacité thermique très élevée (supérieure à 97%), ce qui permet de chauffer à une température très élevée (supérieure à 900 C) le fluide à envoyer à la turbine de détente, permettant ainsi d'obtenir un rendement électrique du système de génération supérieure à 30%. La variante de la figure 3 se distingue du système illustré en figure 1, d'une part, par la configuration de la source de gaz chauds provenant d'une combustion et d'autre part, par un dispositif permettant de produire de l'eau chaude. Ainsi, cette source est avantageusement une chambre de combustion de type brûleur 72 comportant une admission d'un comburant 74 et une admission d'un combustible 76. Dans la configuration de la figure 3, l'air détendu issu de la turbine de détente 16 est utilisé comme comburant par le brûleur via la ligne 44 mais tout autre configuration pour alimenter en comburant ce brûleur peut être utilisée, comme une alimentation en air extérieur. De manière avantageuse, l'admission de combustible 76 est connectée à une ligne d'amenée 78 d'un combustible solide, comme de la biomasse, mais tout autre type de combustible peut être envisagé, comme du biogaz. Ainsi, ce comburant se mélange avec de la biomasse introduite à l'entrée 76 du brûleur 72 pour y générer une combustion sous l'effet de tous moyens, comme une flamme. Ce brûleur comprend également une évacuation 82 des gaz chauds (ou fumées) résultant de la combustion et qui est raccordée à la ligne 48. Ce système comprend également un générateur de fluide chaud 84, comme de l'eau chaude, qui est traversé par les fumées sortant de l'échangeur 14 et qui permet d'utiliser une partie de la chaleur générée par le brûleur 72 pour produire cette eau chaude. Généralement ce générateur est constitué d'un radiateur parcouru par les fumées sortant de l'échangeur et circulant dans la ligne 52 et par de l'eau qui y est introduite par une ligne 86 sous forme liquide et qui en ressort par une ligne 88 sous forme réchauffée. Dans ce cas, la turbine à gaz est appelée turbine à co-génération (électricité + chaleur). Le fonctionnement du système représenté sur cette figure est semblable à celui décrit en relation avec la figure 1 avec les étapes supplémentaires de production d'eau chaude par le générateur 84 et de fumées chaudes par le brûleur. Ainsi, ce système permet de réaliser une compression de l'air par le compresseur 12, un chauffage de cet air comprimé par traversée d'une partie des secteurs radiaux du disque 54 de l'échangeur 14 et une détente de l'air comprimé chaud dans la turbine de détente 16 en générant une rotation de cette turbine et conséquemment une rotation de la génératrice 22 pour produire de l'électricité. L'air détendu sortant de la turbine est ensuite envoyé au brûleur 72 dans 30 lequel se réalise une combustion avec le combustible de type biomasse qui y est introduit. Les fumées résultant de cette combustion traversent l'autre partie des secteurs radiaux de l'échangeur 14 en se refroidissant puis le générateur d'eau chaude 84 dans lequel elles chauffent l'eau qui y est apportée. La variante de la figure 4 se différencie de celle de la figure 3 par un refroidissement de l'air comprimé sortant du compresseur 12 tout en permettant de chauffer un fluide, comme de l'eau, non pas à partir de la chaleur des fumées mais à partir de cet air comprimé et un refroidissement d'une partie de l'air détendu sortant de la turbine de détente 16. Ainsi, le générateur 84, qui était placé sur la ligne 52 de la figure 3, est placé, dans le cas de la figure 4, sur la ligne 32 entre la sortie 30 du compresseur 12 et l'entrée 34 de l'échangeur 14. Ceci permet, d'une part, d'abaisser la température de l'air comprimé à environ 25 C en entrée d'échangeur 14 et de pouvoir récupérer une plus grande quantité de chaleur à partir des fumées de combustion qui traversent cet échangeur. D'autre part, la température de l'air comprimé est sensiblement à un niveau constant et les calories qu'il véhicule sont utilisées pour obtenir de l'eau chaude en sortie du générateur et cela quelque soit la température des fumées qui peut subir des variations non négligeables. Cette variante offre également la possibilité de refroidir une partie de l'air détendu sortant de la turbine de détente 16 pour l'injecter en entrée du brûleur 72 en addition de l'air détendu déjà injecté en entrée 74 par la ligne 44. Pour cela, il est prévu une ligne 90 de dérivation reliant un point 92 de la ligne 44 et une entrée d'air frais 94 au niveau du brûleur 72. Un radiateur de refroidissement 96 est placé sur cette ligne et permet d'abaisser la température de l'air détendu qui le traverse à un niveau de la température ambiante, par exemple par échange avec de l'air extérieur. Cette injection d'air frais est plus particulièrement destinée à l'injection d'air primaire dans des brûleurs du type à grille qui ne supportent pas des 30 températures élevées en entrée d'air. Le fonctionnement du système de la figure 4 est semblable à celui de la figure 3 et ne sera décrit ci-après que dans ses grandes lignes. Ce système permet ainsi de réaliser une compression de l'air par le compresseur 12, un refroidissement de cet air par traversée du générateur 84 en produisant de l'eau chaude, un réchauffage de cet air comprimé par une partie de l'échangeur 14, une détente de l'air comprimé chaud dans la turbine de détente 16 avec une rotation de cette turbine et de la génératrice 22 pour produire de l'électricité. L'air détendu sortant de la turbine est ensuite envoyé au brûleur 72, pour une partie de cet air détendu, directement et, pour l'autre partie, après passage au travers du radiateur 96 pour le refroidir. Cet air détendu est ensuite utilisé pour réaliser une combustion avec la biomasse qui est introduite dans le brûleur. Les fumées résultant de cette combustion traversent l'autre partie de l'échangeur en se refroidissant puis sont évacuées vers la cheminée. La variante de la figure 5 se différencie de celle de la figure 4 par le fait qu'il est prévu d'augmenter le rendement global du système en diminuant le travail de compression. Ainsi, à partir de la figure 4, il est prévu de placer un compresseur à deux étages 12a et 12b en lieu et place du compresseur 12. L'entrée du premier étage 12a est raccordée à la ligne d'entrée d'air extérieur 28, la sortie du deuxième étage 12b est raccordée par la ligne 32 à l'échangeur 14 en traversant le générateur 84 et une ligne 98 raccorde la sortie du premier étage avec l'entrée du second étage de compression. Un générateur additionnel de fluide chaud 84a est placé sur la ligne 98 entre les deux étages de compression et est utilisé pour générer de l'eau chaude. De ce fait, l'air extérieur admis par la ligne 28 est comprimé à un premier niveau par le premier étage de compression 12a. En sortie de ce premier étage, l'air comprimé chaud circule dans la ligne 98 et traverse le générateur additionnel 84a pour échanger les calories qu'il véhicule avec l'eau qui y circule en produisant de l'eau chaude. L'air comprimé refroidi sortant du générateur 5 additionnel pénètre ensuite dans le deuxième étage de compression 12b d'où il en ressort pour circuler dans la ligne 32 en traversant le générateur 84 avant de pénétrer dans l'échangeur 14. La suite du fonctionnement du système de la figure 5 est semblable à celui décrit en relation avec la figure 4. La présente invention n'est pas limitée aux exemples décrits ci-dessus mais englobe toutes variantes et tous équivalents. REVENDICATIONS 1) Système de production d'énergie, notamment électrique, comportant une turbine à gaz (10) avec au moins un compresseur (12 ; 12a, 12b) à au moins un étage de compression, au moins une turbine de détente (16), un échangeur de chaleur (14) entre ledit compresseur et ladite turbine de détente, et une source de gaz chauds (48, 72), caractérisé en ce que l'échangeur est un échangeur régénératif rotatif (14) parcouru par les gaz chauds provenant de ladite source et par des gaz comprimés provenant dudit compresseur. 2) Système de production d'énergie électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'échangeur régénératif rotatif (14) comporte un disque (54) avec une multiplicité de secteurs radiaux (58) parcourus alternativement par lesdits gaz chauds et par lesdits gaz comprimés. 3) Système de production d'énergie électrique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'échangeur régénératif (14) comporte des boîtiers d'entrée de gaz comprimés (62) et de gaz chauds (70) et des boîtiers de sortie de gaz comprimés (68) et gaz chauds (64). 4) Système de production d'énergie électrique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un générateur de fluide chaud (84) traversé par les gaz chauds sortant de l'échangeur (14). 5) Système de production d'énergie électrique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend un générateur de fluide chaud (84) placé entre le compresseur (12 ; 12b) et l'échangeur (14). 30 6) Système de production d'énergie électrique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le compresseur comprend au moins25deux étages de compression (12a, 12b) et en ce que un générateur de fluide chaud (84a) est disposé entre les deux étages. 7) Système de production d'énergie électrique selon la revendication 1, 5 caractérisé en ce que la source de gaz chauds comprend une chambre de combustion (72). 8) Système de production d'énergie électrique selon la revendication 7, caractérisé en ce que la chambre de combustion (72) comprend au moins une 10 entrée d'air (76, 94) provenant de la turbine de détente (16). 9) Système de production d'énergie électrique selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que la chambre de combustion (72) comprend au moins une entrée d'air frais (94). 10) Système de production d'énergie électrique selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'entrée d'air frais (94) est reliée par une ligne (90) à la turbine de détente (16) et ce que cette ligne traverse un radiateur de refroidissement (96). 11) Système de production d'énergie électrique selon l'une des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que la chambre de combustion (72) comprend une admission d'un combustible solide (76). 25 12) Système de production d'énergie électrique selon la revendication 11, caractérisé en ce que le combustible comprend de la biomasse. 13) Système de production d'énergie électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source de gaz chauds provient d'une récupération de 30 chaleur à haute température sur un procédé industriel 15 20 14) Système de production d'énergie électrique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur est un échangeur régénératif rotatif de type séquentiel.