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Dispositif pour le réglage et la mise en action rapides de centrales thermiques dans lesquelles un fluide de travail gazeux, air de préférence, décrit constamment un circuit fermé sous pression,
La présente invention se rapporte à un dispositif pour le réglage et la mise en service rapides de centrales thermiques dans lesquelles un fluide de travail gazeux, air de préférence, décrit constamment un circuit fermé sous pression et où le fluide de travail échauffé par apport de chaleur extérieure est amené à se détendre dans au moins deux turbines dont l'une fournit au moins en partie sa puissance à l'extérieur et l'autre actionne un compresseur, après quoi il est ramené à nouveau à une pression
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supérieure,
et où de plus s'effectue dans un échangeur de chaleur un échange thermique entre la partie du courant de fluide de travail détendue et celle qu'on a recomprimée et qui n'est encore pas chauffée par apport de chaleur extérieure.
Pour le réglage de variations de longue durée dans la charge de centrales thermiques de ce genre, on a déjà proposé, les machines continuant toutes à tourner à la même vitesse, de faire varier la densité du fluide de travail en circulation à peu près proportionnellement à la puissance momentanée fournie à l'extérieur par une ou plusieurs turbines.
On peut y parvenir, par exemple dans le cas d'une diminution de la consommation de puissance, en soutirant au moyen de dispositifs d'évacuation, par exemple de vannes commandées, du fluide de travail au circuit d'ailleurs fermé où il se trouve sous p ression. Mais si la consommation de puissance tombe brusquement, par exemple par suite de la mise hors service d'une génératrice, il n'est en certains cas pas possible d'obtenir que la densité du fluide de travail dans son circuit s'abaisse assez rapidement, parce que l'écoulement du fluide à soutirer au cycle exige un certain temps. D'autre part, laisser échapper du fluide de travail du circuit, d'ailleurs fermé, implique la nécessité, lorsque la consommation de puissance(vient ensuite à augmenter, d'introduire du fluide de travail neuf dans le circuit, ce qui exige aussi un certain temps.
La présente invention a pour objet de remédier aux inconvénients qui se produisent en cas de variations rapides de la charge dans des installations de l'espèce considérée. A cet effet, dans une telle installation et suivant la présente invention., on dérive d'une conduite assurant le passage du fluide d'une turbine à l'autre, en amont de l'entrée dans la turbine fournissant de la puissance à l'extérieur, une conduite de court-circuit (bypass) comportant un organe d'isolement et d'étranglement ainsi qu'un refroidisseur auxiliaire . Cette conduite de court-circuit permet au fluide de travail de circuler sans traverser la turbine fournissant du travail à l'extérieur, pour revenir en aval de celle-ci dans le circuit normal du fluide de travail.
Cette conduite de
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court-circuit peut utilement déboucher dans celle qui relie ladite turbine à l'échangeur de chaleur où s'effectue un échange thermique entre la partie du courant de fluide de service détendue et celle qui est recomprimée. L'organe d'isolement et d'étranglement prévu dans la conduite de court-circuit peut être relié à des organes permettant de modifier automatiquement sa position en fonction des variations de puissance qui se produisent dans l'installation, afin d'adapter automatiquement le débit de la conduite de courtcircuit à la puissance à fournir.
Une forme d'exécution de l'objet de l'invention est - représentée schématiquement et à titre d'exemple au dessin ciannexé.
1 désigne un réchauffeur dans lequel de la chaleur extérieure est apportée au fluide de travail, air de préférence.
L'air réchauffé arrive tout d'abord dans une turbine à haute pression 2 qui actionne un compresseur 3 et qui de plus, par l'intermédiaire d'un réducteur 4, est accouplée avec une seconde turbine 5 qui fournit au moins en partie sa puissance à l'extérieur.
Dans le cas de l'exemple d'exécution représenté, cette turbine 5 actionne une génératrice 6. 13 désigne une conduite par laquelle le fluide de travail se rend de la turbine à haute pression 2 à la turbine à basse pression 5. Le fluide de travail qui s'échappe de la turbine 5 se rend par la conduite 7 dans un échangeur de chaleur 8 où il cède de la chaleur à la partie de courant de fluide de travail que le compresseur 3 refoule par une conduite 9 dans le réchauffeur 1. La partie du courant de fluide de travail provenant de la turbine 5 et qui s'est refroidie dans l'échangeur de chaleur 8 arrive alors par une conduite 10 dans un refroidisseur 11 et de celui-ci, par une conduite 12, dans le compresseur 3 où cette partie du courant de fluide de travail est à nouveau comprimée.
Sur la conduite 13 s'embranche, en amont de son entrée dans la turbine qui fournit de la puissance à l'extérieur, c'est-à-dire de la turbine 5, une conduite de court-circuit 14 qui débouche dans la conduite 7. Dans cette conduite de court-circuit 14 sont disposés
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un organe d'isolement et d'étranglement 15 et un dispositif d'échange de chaleur auxiliaire réalisé sous forme d'un refroidisseur 16. La position voulue est donnée à chaque instant et automatiquement à 1'organe 15 par un régulateur de vitesse 17 affecté à la turbine 5. La liaison décommande entre les éléments 15 et 17 est assurée par une timonerie 18.
Dans la conduite 13 est monté entre le point d'embranchement de la conduite de court-circuit 14 et l'entrée dans la turbine 5 un organe d'isolement 19 dont la commande est elle aussi automatique et s'effectue en fonction des variations de puissance de la turbine 5, en vue de quoi il est placé en liaison de commande avec le régulateur de vitesse 17.
20 désigne un moteur auxiliaire (dynamo, moteur à combustion interne, pneumatique'ou turbine à air comprimé) qui sert à faire tourner lentement le groupe mécanique 3,5, 6 pendant le stade de démarrage.
Un accouplement, non montré, permet de mettre ce moteur auxiliaire 20 hors de prise dès que le groupe 2, 3,5, 6 tourne à une vitesse déterminée.
Le dispositif décrit fonctionne de la manière suivante: Tant que règne des conditions de service normales et que la charge demeure la même l'organe d'étranglement 15 empêche le fluide de travail de traverser la conduite de court-circuit 14.
Mais aussitôt que, pour une raison quelconque, la turbine 5 se trouve déchargée brusquement et pour une durée qu'on peut prévoir assez courte pour qu'on puisse admettre une diminution du rende- ment de la centrale thermique, il se produit automatiquement un déplacement de l'organe d'isolement et d'étranglement 15 tel que du fluide de travail peut s'écouler par la conduite de court-circuit
14 de la conduite 13 dans la conduite 7. Il se produit en même temps un déplacement de l'organe d'isolement 19 dans le sens de la ferme- ture. Il s'ensuit que le fluide de travail provenant de la turbine à haute pression 2, évitant la turbine à basse pression 5, se rend directement par la conduite de court-circuit 14 dans l'échangeur de chaleur 8.
Par suite de l'étranglement le fluide de travail
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subit dans cette conduite de court-circuit une diminution de pression en même temps que, grâce au refroidissement auxiliaire 16, sa température est abaissée sensiblement au;; degré où elle le serait dans des conditions de fonctionnement normales par la détente intervenue dans la turbine à basse pression 5. De cette manière on évite que le fluide de travail, même n'ayant pas traversé la turbine à basse pression 5, arrive à une température dangereusement élevée dans l'échangeur de chaleur 8 qui, pour des raisons économiques, est fait de matériaux ne supportant pas des températures trop élevées.
Comme on dispose, pour la traversée de la conduite de court-circuit 14, d'une chute de pression de quelques atmosphères, il se produit dans cette conduite des vitesses élevées qui, dans certains cas, peuvent atteindre et même dépasser celle du son, de sorte qu'à cause des hauts coefficients de transmission de chaleur qui en résultent du côté du.fluide de travail, on peut donner au refroidisseur auxiliaire 16 un faible encombrement.
Par une comman- de supplémentaire des organes d'isolement 15,19 en fonction des pression en des points déterminés du circuit normal on peut par venir à ce que les pression et les températures, après l'ouverture de la conduite de court-circuit 14, demeurent approximativement les mêmes dans la partie restante de l'instalion, de sorte qu'en cas d'ouverture soudaine et brève de la conduite 14, par exemple, rien ne se change au compresseur 3 ou au réchauffeur 1. L'excès d'énergie qui se produit lors de.l'évitement de la turbine 5 est tout simplement détruit dans la conduite de court-circuit et au moyen du refroidisseur auxiliaire 16 au lieu d'être cédé à l'extérieur par la turbine 5 et la génératrice 6.
S'il se produit un réaccroissement de la charge de la turbine 5, il se produit autoa- tiquement un déplacement de l'organe d'isolement 19 dans le sens de l'ouverture et de l'organe d'étranglement 15 dans le sens de la fermeture, si bien que la partie du fluide de travail qui passe par la conduite de court-circuit 14 est réglée proportionnellement à la charge de la turbine 5. Lorsqu'au contraire les condi- tions de faible charge de l'installation sont de longue durée,
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le dispositif de commande de l'organe d'isolement et d'étranglement 15 est bloqué à la main ou bien automatiquement par des moyens non figurés et l'on soutire du fluide de travail au circuit de manière connue en soi au moyen d'un dispositif d'évacuation 22 cpmmandé.
Il en résulte un abaissement de la pression et de la densité dans le circuit, ce qui permet une fermeture correspondante de la conduite de court-circuit 14 et une ouverture de la conduite 13, de sorte que dans les nouvelles conditions de fonctionnement stable sous charge réduite et par suite de la mise hors-circuit de la conduite court-circuit 14 l'installtion fonctionne de nouveau avec un bon rendement. Lorsque d'une augmentation ultérieure de la charge, du fluide de travail neuf provenant d'un accumulateur 21 est introduit dans le circuit.
On donnera utilement au refroidisseur auxiliaire monté dans la conduite de court-circuit une résistance telle qu'il y soit détruit par frottement et tourbillonnement au moins le quart de la chute de pression transformée sans cela dans la turbine évitée.
Le dispositif décrit permet aussi de résoudre d'une manière simple le difficile problème de la mise en route de l'en- semble de l'installtion. Lors de la mise en route l'organe d'isolement 19 est fermé, et l'organe d'étranglement 15 est ouvert. Au moyen du moteur 20 tournant tout d'abord à régime réduit on met ensuite en circulation dans l'installation du fluide de travail qu'on réchauffe dans le réchauffeur 1. Ce fluide de travail traverse dès lors uniquement la turbine haute pression 2 actionnant le compressue 3 et s'écoule ensuite par la conduite de court-circuit 14 dans l'échangeur de chaleur 8 pour revenir de là, par les con- duites 10 et 12, le compresseur 3 et la conduite 9, dans le ré- chauffeur 1. La turbine 5 se trouve ainsi évitée.
Introduisant en- suite dans le circuit progressivement du fluide de travail neuf provenant par exemple d'un réservoir 21, on augmente, dans le cir- cuit décrit, la densité du courant de fluide en circulation. A mesure que la pression augmente, un excès éventuel de puissance
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des turbines se trouve détruit par étranglement dans la conduite de court-circuit 14. C'est seulement lorsque les pressions dans le circuit de la turbine 2 et du compresseur 3 ont atteint la valeur nécessaire et que les températures voulues s'y sont établies que l'organe d'étranglement 15 se ferme tandis que l'organe 19 s'ouvre, si bien que dès lors le fluide de travail provenant de la turbine à haute pression 2 traverse également la turbine à basse pression 5 qui code au moins en partie sa puissance à l'extérieur.
La mise sous charge de la turbine 5 peut des lors s'effectuer très rapide- ment puisque l'énergie qu'elle implique se trouve évidemment déjà présente dans le circuit. S'il n'existait pas de conduite de court- circuit 14 la mise sous charge de la turbine à basse pression 5 s'effectuerait en même temps'que la mise en service de l'ensemble de l'installation et sous sa dépendance. Dès que le groupe méca- nique 3, 2,5, 6 tourne à une vitesse déterminée on débraye le moteur 20.
.La façon dont sont construits l'organe d'isolement et d'étranglement de la conduite de court-circuit 14 ainsi que le refroidisseur auxiliaire monté à l'intérieur de celle-ci n'a aucune importance quant au principe de l'invention. Comme agent réfrigérant pour ce refroidisseur on peut employer un liquide ou un gaz, la chaleur absorbée par l'agent réfrigérant considéré pouvant en tout cas être subséquemment utilisée d'une manière quelconque. Il y a intérêt à ne déclencher automatiquement le flux de l'agent réfrigé- rant à travers le refroidisseur auxiliaire 16 que lorsqu'il commence à passer du fluide de travail à travers la conduite de court-cir- cuit 14. On peut d'autre part le régler en fonction .de la quantité de fluide de travail qui s'écoule à travers la conduite 14.
Le réglage automatique de l'organe d'isolement et d'étranglement monté dans cette conduite de court-circuit peut aussi s'effectuer en fonction de la charge de la turbine à basse pression d'une autre manière que celle qu'on a représentée.
Le fait que l'organe d'isolement et d'étranglement est prévu de préférence en aval du refroidisseur auxiliaire monté @
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dans la conduite de court-circuit procure ces avantages que cet organe n'est balayé que par du fluide de travail déjà refroidi et de plus qu'il règne dans le refroidisseur une pression de fluide de travail élevée, ce qui améliore la transmission de chaleur.
D'autre part, l'invention peut s'appliquer sans difficultés également lorsqu'il existe en aval du point où s'embranche la conduite de sourt-circuit plus d'une turbine. En outre, on peut souvent se dispenser d'un organe d'isolement 19. La commande des divers organes d'étranglement ou d'isolement peut s'effectuer mécaniquement ou hydrauliquement.
La conduite de court-circuit peut déboucher dans le circuit normal en un point quelconque de ce dernier entre la ou les turbines fournissant de la puissance à l'extérieur et le compresseur.