FR2696506A1 - Centrale combinée hydraulique et thermique pour production simultanée de l'électricité et d'énergie calorifique. - Google Patents
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Abstract
Une centrale hydraulique comprend au moins deux groupes de production, chacun comprenant une turbine hydraulique (20) entraînant un alternateur (10). L'un des groupes est complété par une machine thermique (40) embrayable à volonté pour, lors de périodes froides et de débit d'eau réduit, entraîner l'alternateur et produire simultanément une énergie thermique récupérée par un échangeur de chaleur (60) appartenant à un réseau de chauffage à distance. De préférence, la machine thermique est une turbine à gaz (40) directement reliée à un échangeur de génération de vapeur (50) pour alimenter une turbine à vapeur complétant l'entraînement de l'alternateur (10) du groupe; puis à l'échangeur de chaleur (60) appartenant au réseau de chauffage à distance.
Description
CENTRALE COMBINEE HYDRAULIQUE ET THERMIQUE
POUR PRODUCTION SIMULTANEE DE L'ELECTRICITE
ET D'ENERGIE CALORIFIQUE
La présente invention est relative à une centrale électrique hydraulique mettant à profit une chute d'eau issue d'un réservoir naturel ou artificiel géré par un barrage, et ce pour faire tourner une turbine hydraulique entraînant un alternateur générant la puissance électrique. L'alternateur synchronisé sur le réseau devant fournir sa quote-part de puissance électrique demandée, on met à profit les vannes du barrage pour assurer un débit d'eau suffisant en conséquence.
POUR PRODUCTION SIMULTANEE DE L'ELECTRICITE
ET D'ENERGIE CALORIFIQUE
La présente invention est relative à une centrale électrique hydraulique mettant à profit une chute d'eau issue d'un réservoir naturel ou artificiel géré par un barrage, et ce pour faire tourner une turbine hydraulique entraînant un alternateur générant la puissance électrique. L'alternateur synchronisé sur le réseau devant fournir sa quote-part de puissance électrique demandée, on met à profit les vannes du barrage pour assurer un débit d'eau suffisant en conséquence.
Toutefois, typiquement pour les centrales hydrauliques, cette régulation de débit doit tenir compte des variations saisonnières et journalières du débit du cours d'eau en amont et/ou de la demande d'utilisateurs en aval : soit pour l'irrigation, la navigation, soit pour d'autres centrales hydrauliques. Or, les variations pluviométriques et/ou de neige peuvent être très sensibles d'une année à l'autre dans un pays donné.
Différents dispositifs ont été envisagés pour compenser, du moins partiellement, ces variations inhérentes du système hydraulique. Par exemple, la centrale divulguée dans le document FR-2 247 922 est complétée d'une centrale solaire permettant de générer du courant électrique appliqué à des pompes, voire directement à la centrale hydraulique en mode inversé, pour remonter de l'eau dans les bassins supérieurs. Dans le document GB-2 223 810, est divulgué un dispositif complémentaire de moulin à vent permettant à partir de cette force éolienne de générer du courant électrique et également de pomper de l'eau vers le haut dans un bassin en amont d'une centrale hydraulique. Toutefois, ces dispositifs ne permettent que de compléter un phénomène variable par un autre phénomène variable et très dépendant des conditions climatiques locales.En fait, ces dispositifs complémentaires ne peuvent être mis en oeuvre que grâce à l'existence du réservoir de retenue d'eau en amont qui constitue un accumulateur d'énergie particulier.
La centrale divulguée dans le document FR-2 223 810 comprend une boîte d'engrenage à vitesse d'entrée variable et à vitesse de sortie constante pour entraîner un alternateur à partir d'une turbine hydraulique ou à partir d'un moulin à vent. Un capteur mesure en permanence la puissance mécanique à la sortie de la boîte d'engrenage pour rapidement basculer d'une force d'origine hydraulique à une force d'origine éolienne si la puissance mesurée chute en dessous d'une valeur prédéterminée. Si chacune des deux sources de puissance mécanique s'avère insuffisante, alors un moteur thermique est rapidement enclenché uniquement en secours. On ne fait ainsi que remplacer un premier phénomène aléatoire par un second phénomène aléatoire en espérant qu'ils puissent toujours se compenser l'un et l'autre.
En fait, le problème de l'irrégularité de débit d'eau est largement estompé par l'optimisation des réservoirs d'eau et de leur barrage correspondant. On arrive ainsi à réduire l'écart initial entre la production estivale et hivernale de 75 % - 25 % à seulement 60 % - 40 %. Par contre, dans les pays continentaux froids en hiver et bénéficiant de fontes de neige au printemps et en été, on constate un double paradoxe lors de l'optimisation de l'équipement. D'une part, la consommation électrique hivernale est pratiquement triplée du fait du chauffage domestique par rapport à la consommation estivale qui représente une base correspondant à l'activité normale, et ce alors que les possibilités de production électrique hydraulique sont précisément réduites de part le faible niveau des réservoirs après consommation pendant toute la période estivale précédente.D'autre part, on dimensionne l'équipement électrique : alternateur, transformateur et réseau de transport à un maximum correspondant à une année hydraulique humide, valeur bien supérieure à la moyenne effective constatée.
Le but de la présente invention est une modification d'une centrale hydraulique permettant de résoudre les paradoxes cités précédemment.
Ces buts sont réalisés par une centrale hydraulique comprenant au moins deux groupes de production, chacun comprenant une turbine hydraulique entraînant un alternateur, caractérisée en ce que l'un des groupes est complété par une machine thermique embrayable à volonté pour, lors de périodes froides et de débit d'eau réduit, entraîner l'alternateur et produire simultanément une énergie thermique récupérée par un échangeur de chaleur appartenant à un réseau de chauffage à distance.
En comparaison à l'installation d'une centrale thermique autonome additionnelle, le coût de l'investissement est particulièrement réduit du fait, d'une part, que l'on emploie l'installation électrique existante due au générateur hydraulique inutilisé en hiver et, d'autre part, qué la machine thermique peut être de dimension réduite car elle ne vient qu'en complément d'une production de base hydraulique toujours présente. Surtout une telle centrale hydrauliquethermique permet de générer én saison froide simultanément une puissance électrique et calorifique dont on va pouvoir moduler le rapport de production selon des besoins évoluant quotidiennement ou en fonction des intempéries de la saison.
En saison estivale, la ou les machines thermiques peuvent être stoppées grâce à l'augmentation de la puissance hydraulique, ce qui évite la coproduction de chaleur inutile comme dans les stations avec cogénération classique.
Avantageusement, la machine thermique est une turbine à gaz produisant, outre une puissance mécanique en sortie d'arbre tournant, des gaz d'échappement à haute température qui sont d'abord envoyés dans un premier échangeur de génération de vapeur pour alimenter une turbine à vapeur, puis dans un second échangeur de chaleur appartenant à un réseau de chauffage à distance. La turbine à vapeur peut soit compléter l'entraînement de l'alternateur du groupe soit entraîner individuellement l'alternateur d'un groupe adjacent.
Utilement, la réduction de la vitesse de rotation entre la machine thermique et l'alternateur peut être effectuée, en partie au moins, par une paire d'engrenages coniques réalisant un renvoi d'angles. On peut ainsi disposer une machine thermique en un point quelconque du plan d'implantation initial de la centrale hydraulique tout en réduisant le nombre de botes d'engrenages nécessaires.
Avantageusement, lors de l'utilisation du moteur thermique, la canalisation d'eau de la turbine hydraulique du groupe correspondant est vidée par fermeture des vannes amont et aval, vidange éventuellement aidée par pompage ou injection d'air comprimé, puis hermétiquement isolées si désiré pour y créer un vide partiel. On peut ainsi simplifier la modification d'une centrale hydraulique existante en laissant la turbine toujours directement reliée à l'alternateur, cette turbine tournant donc à vide lors de l'entraînement par le moteur thermique. La masse de la turbine hydraulique fait alors office de volant d'inertie.
Avantageusement, les gaz d'échappement du moteur thermique sont injectés, après avoir été refroidis par passage dans l'échangeur de génération de vapeur et/ou de génération de chaleur, dans le conduit d'évacuation de la turbine hydraulique du groupe adjacent non modifié. De cette manière, le gaz carbonique présent dans ces gaz d'échappement n'est nullement relâché à l'air ambiant risquant alors d'augmenter le phénomène d'effets de serre, mais est directement dissous dans l'eau froide.
En prévoyant -que les échangeurs de chaleur viennent en aval des échangeurs de générateur de vapeur, le réseau de chauffage à distance peut être alimenté par de l'eau sortant à une température comprise seulement entre 70 et 100 degrés, donc d'utilisation domestique directe.
Utilement, l'eau du réseau de chauffage à distance sortant d'une première application de chauffage domestique (å une température comprise entre 40 et 20 degrés) est envoyée dans un ou plusieurs échangeurs de chaleur du réseau prévus pour réchauffer l'eau froide domestique (d'une source à 6 degrés jusqu'à une température de 15 degrés) avant de retourner (à une température de l'ordre de 10 degrés) vers l'échangeur de chaleur de la centrale.
Utilement, le réseau de chauffage à distance comprend en parallèle, un réservoir-tampon d'eau chaude constitué d'une pluralité de chambres adjacentes à température moyenne décroissante, et dont les parois intermédiaires sont creuses pour constituer un passage pour l'eau d'une chambre à l'autre. Ainsi, l'énergie thermique générée de nuit et non consommée immédiatement peut être temporairement stockée pour être réinjectée dans le réseau dans la journée. Chaque chambre intermédiaire peut alors être garnie sur ses parois verticales d'enceintes externes, de plateaux horizontaux diminuant les mouvements de l'eau par convection ; et peut être également garnie le long de ces mêmes parois d'enceintes externes par des bâches limitant les mouvements de l'eau dus au passage d'une chambre à l'autre.
Le réservoir-tampon peut comprendre de plus une pompe à chaleur raccordée par un dispositif de vannes entre deux chambres adjacentes afin de profiter d'un excédent de production de courant électrique diurne ou nocturne pour relever successivement le gradient thermique entre les différentes chambres et donc accroître le potentiel éxergétique de l'energie-chaleur contenue dans le réservoir.
L'invention est décrite ci-après de façon plus détaillée à l'aide d'exemples d'exécution sans caractère limitatif illustrés aux dessins annexés dans lesquels
- la figure 1 est une vue en coupe schématique d'un groupe hydraulique vertical à turbine FRANCIS complété d'une turbine à gaz que prolongent des échangeurs de chaleur,
- la figure 2 est une vue en coupe schématique d'un groupe hydraulique vertical à turbine FRANCIS complété d'une turbine à vapeur,
- la figure 3 est une vue schématique du dessus de l'implantation d'une turbine à gaz complétée d'une turbine à vapeur dans une centrale hydraulique comprenant quatre groupes indépendants,
- la figure 4 est un diagramme illustrant la répartition des puissances d'origine thermique et hydraulique au cours de l'année,
- la figure 5 est un plan schématique du réseau de chauffage à distance associé avec la centrale hydraulique modifiée selon l'invention,
- les figures 6a et 6b sont des vues schématiques en coupe respectivement longitudinale et transversale d'un réservoir-tampon d'accumulation d'énergie-chaleur selon l'invention,
- la figure 7 est une vue en coupe schématique de l'implantation d'une turbine à vapeur dans une centrale hydraulique à turbine KAPLAN,
- la figure 8 est une vue en coupe schématique de l'implantation d'une turbine à vapeur dans une centrale hydraulique à bulbe et turbine KAPLAN, et
- la figure 9 est une vue en coupe schématique de l'implantation d'une turbine à vapeur dans une centrale hydraulique de type PELTON à axe horizontal.
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- la figure 7 est une vue en coupe schématique de l'implantation d'une turbine à vapeur dans une centrale hydraulique à turbine KAPLAN,
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- la figure 9 est une vue en coupe schématique de l'implantation d'une turbine à vapeur dans une centrale hydraulique de type PELTON à axe horizontal.
Les figures 1, 2 et 3 illustrent l'implantation d'une turbine à gaz et d'une turbine à vapeur complémentaire dans une centrale hydraulique comprenant quatre groupes hydro-électriques : la figure 3 étant une vue de dessus, la figure 1 étant une vue en coupe simplifiée selon la ligne partielle I de la figure 3 et la figure 2 étant une vue en coupe selon la ligne II de la figure 3.
Sur la partie droite de la figure 1, on reconnaît une turbine hydraulique de type FRANCIS 20 logée dans une bâche spirale d'arrivée d'eau du réservoir amont et donnant sur un canal d'évacuation 71. L'axe vertical de cette turbine est relié au rotor d'un alternateur 10 générant du courant électrique alternatif. Cet alternateur synchrone étant accroché au réseau électrique au travers d'une station de transformation non illustrée, la vitesse de rotation est donc imposée par la fréquence du réseau.
Selon l'invention, le groupe hydro-électrique est complété d'une turbine à gaz 40 dont on reconnaît aisément l'entrée d'air filtré 39, la turbine de compression de l'air, les injecteurs de combustible donnant sur la chambre de combustion puis la chambre d'éjection des gaz brûlés après entraînement de la turbine motrice. Sur la figure 1, cette turbine à gaz est illustrée en une implantation proche du groupe hydro-électrique, l'arbre de sortie de cette turbine étant d'abord relié à une boîte 36 de réduction de vitesse dont la sortie est reliée au travers d'un dispositif d'embrayage 35 à une boîte d'entraînement 30 de l'arbre de la turbine hydraulique 20.Cette boîte d'entraînement 30 est en fait constituée de deux roues coniques engrenées : une première roue à large diamètre montée sur l'arbre de la turbine et une deuxième roue plus petite appelée pignon conique d'attaque et montée à la sortie de l'embrayage 35. Le dispositif d'embrayage 35, situé de préférence proche de la boîte d'entraînement 30, permet d'accoupler ou de désaccoupler à volonté la turbine à gaz 40 du groupe hydroélectrique 10/20, par exemple ici, par avance ou retrait du pignon conique d'attaque. Sur la figure 3, la turbine à gaz 40 est illustrée selon une implantation un peu plus éloignée dans une pièce adjacente, un premier renvoi d'angles 30, réalisé par une paire de roues coniques effectuant déjà une première réduction de vitesse au même titre que la boîte de vitesse 36 mentionnée précédemment.Le dispositif d'embrayage 35 est également monté ici proche de la boîte d'entraînement 31 à l'arbre du groupe hydro-électrique 10.
En référence aux figures 1 et 3, les gaz d'éjection de la turbine à gaz 40 encore sous haute température passent dans une "chaudière de récupération" comprenant un premier échangeur 50 de génération de vapeur, laquelle vapeur est amenée par une canalisation 51 à une turbine à vapeur 42 mieux illustrée en coupe sur la figure 2.
Cette turbine à vapeur 42 est reliée au groupe hydroélectrique 101 de manière sensiblement identique que la turbine à gaz 40, c'est-à-dire que son arbre de sortie est relié à l'entrée d'une boîte de réduction de vitesse 36 dont l'arbre de sortie est relié au travers d'un dispositif d'embrayage 38 à une boîte d'entraînement 30 essentiellement constituée de deux roues coniques de diamètre différent s'engrenant.
Comme illustré sur les figures 1 et 3, les gaz d'éjection de la turbine à gaz 40 ayant traversé le premier échangeur de génération de vapeur 50 sont orientés vers un second échangeur de génération d'eau chaude 60 appartenant à un réseau de chauffage à distance "CAD". Dans cet échangeur, de l'eau froide issue du cours d'eau local, ou en retour du réseau, est montée d'une température de l'ordre de 10. degrés à une température de l'ordre de 70 à 90 degrés. Cet échangeur est également complété par l'échangeur et/ou condenseur 60' installé à la sortie de la turbine à vapeur pour extraire l'énergie-chaleur de la vapeur détendue issue de cette turbine et/ou du condensat produit dans le condenseur avant qu'elle ne soit repompée par une pompe d'alimentation dans un conduit 52 de retour à l'échangeur 50.
Comme illustré sur les figures 1 et 3, les gaz de la turbine 40 détendus et refroidis à la sortie de l'échangeur 60 sont non pas éjectés dans l'air extérieur mais injectés de préférence dans le courant d'eau du canal d'évacuation 71 en sortie du groupe hydraulique 20 adjacent non modifié. Cette configuration présente un important intérêt écologique dans la mesure où le gaz carbonique présent dans les gaz d'éjection est dissous par l'eau froide au lieu d'amplifier l'effet de serre. Comme mieux illustré sur la figure 1, cette injection de gaz d'échappement est de préférence effectuée dans le venturi 70 du canal d'évacuation 71 des groupes 102 et 103 par une conduite en "T" 69 mieux visible sur la figure 3, l'écoulement rapide de l'eau en ce lieu créant un phénomène d'aspiration améliorant le passage des gaz d'éjection au travers des échangeurs 50, 60 et de la canalisation 69.Les tuyères placées dans le courant d'eau, provoquant des pertes de charge, peuvent avantageusement être réalisées de façon rétractable en période estivale et/ou lorsqu'il n'y a que peu ou pas de production de gaz d'échappement. Ceci est illustré sur la tuyère gauche de la conduite 69.
Le diagramme de la figure 4 illustre très schématiquement le fonctionnement de la centrale électrique hydro-thermique selon l'invention. La courbe 1 montre que la production électrique d'origine hydraulique varie sensiblement au cours de l'année en atteignant un maximum à la fin du printemps lorsque, suite aux nombreuses chutes de pluie et fontes de neige, le réservoir d'eau supérieur est à un niveau maximum, cette production hydro-électrique étant sensiblement réduite en période hivernale lorsque la retenue d'eau est au plus bas. Bien évidemment, cette courbe 1 peut être plus ou moins haute sur le diagramme selon que l'année est humide ou pas. La courbe 2 représente la puissance électrique installée établie par le dimensionnement des alternateurs, de la station de transformation et du réseau de transport de l'énergie électrique.Cette puissance électrique installée est normalement dimensionnée 9 une valeur maximum correspondant à une année hydraulique humide, ce qui peut correspondre jusqu'au double de la moyenne de la puissance électrique effectivement réalisée en semestre d'hiver. La courbe 3 illustre schématiquement la puissance électrique consommée par l'utilisateur, la valeur inférieure correspondant à une consommation de base due à l'activité courante : machines-outils industriels, appareils électroménagers domestiques que l'on peut typiquement mesurer en période estivale ; la valeur supérieure correspondant à la consommation hivernale qui est la somme de la consommation de base à laquelle s'ajoute une consommation très importante pour le chauffage de locaux par des appareils électriques.
Comme on peut donc le constater sur ce diagramme, il s'avère que dans les pays continentaux à hiver froid et été sec, le potentiel hydro-électrique chute fortement au moment où la demande de consommation s'élève notablement. L'écart doit alors être compensé par une importation importante d'énergie électrique de pays voisins.
L'invention résout précisément ce problème en utilisant la combinaison d'une turbine à gaz et d'une turbine à vapeur pour continuer d'entraîner deux groupes hydrauliques, qui seraient normalement arrêtés, apportant ainsi simultanément un complément de courant électrique d'origine thermique 4 au courant électrique d'origine hydraulique toujours présent, ainsi qu'une énergie thermique 5 envoyée à certains consommateurs importants de la région par un réseau de canalisation d'eau chaude, ce qui diminue d'autant réciproquement la partie supplémentaire de consommation électrique hivernale due au chauffage.
Ainsi, en référence aux figures 1, 2 et 3, on désaccouple en été les machines thermiques en actionnant à l'ouverture les embrayages 35, les quatres groupes 101-104 fonctionnant alors sous un mode purement hydraulique traditionnel. Pour les dispositifs 35, on peut également envisager un dispositif à roue libre, c' est-à-dire, par exemple, des billets, galets ou rouleaux s'écartant par force centrifuge lorsque l'arbre d'entrée tend à tourner plus vite que l'arbre de sortie, assurant ainsi une liaison mécanique d'entraînement, ces billes se rétractant automatiquement si l'arbre de sortie vient 9 tourner plus vite que l'arbre d'entrée, ce dernier étant éventuellement à l'arrêt. En alternative, on peut envisager la suppression du dispositif d'embrayage 35 pour laisser tourner les rotors des turbines.
Dans ce cas, les chambres internes de ces turbines sont fermées hermétiquement par les vannes amont et aval, et un vide partiel y est appliqué.
A l'inverse, en hiver, les turbines hydrauliques des groupes 101 et 104 sont mises hors-service en tournant librement dans le vide après avoir enclenché les dispositifs 35 d'accouplement des turbines à gaz et à vapeur pour entraîner les alternateurs correspondants pour production d'énergie électrique à partir d'énergie thermique. Lorsqu'on est en présence d'un accouplement mécanique sans glissement et si l'on ne veut pas avoir recours à un lanceur auxiliaire pour la turbine à gaz, on peut utiliser la turbine hydraulique pour démarrer ladite turbine à partir d'une vitesse de rotation nulle jusqu'à la vitesse synchrone de l'alternateur préalablement déconnecté du réseau, pour après entamer la procédure de résynchronisation de phases.La mise en "roue libre" des turbines hydrauliques est réalisée d'une part dans le cas d'une turbine du type KAPLAN par la simple fermeture du jet d'eau contre la roue, puisqu'elle n'est jamais noyée dans l'eau et d'autre part dans les cas d'une turbine KAPLAN ou FRANCIS, en fermant les batardeaux amont et aval pour abaisser le niveau d'eau en dessous des pales.
Mieux, l'eau rémanente est d'abord pompée ou chassée par de l'air comprimé, puis les vannes amont et aval étant hermétiquement fermées, un vide partiel est réalisé dans la bâche ou corps de la turbine hydraulique.
L'arbre de l'alternateur devant tourner à 150 tours par minute, on envisage pour une turbine tournant à 3 000 tours par minute une réduction de 20 répartie, par exemple, par une première réduction d'un quart dans la boîte de vitesse 36 et une seconde réduction d'un cinquième dans la boîte de raccord en angles 30. En alternative, on peut dimensionner, lors de leur-élaboration, les turbines à gaz et à vapeur avec des diamètres plus larges pour diminuer leur vitesse de rotation pour une puissance égale.
La figure 5 illustre schématiquement le diagramme du réseau de chauffage à distance particulièrement adapté à la centrale électrique hydro-thermique selon l'invention. On a représenté de manière schématique une turbine hydraulique 20 reliée mécaniquement à l'alternateur 10 générant du courant électrique essentiellement prévu pour une consommation dite de base mentionnée précédemment. Selon l'invention, une machine thermique 40 recevant d'une part un combustible d'un réservoir 43 et de l'air filtré d'une entrée 39 génère une puissance mécanique appliquée, en substitution, à l'alternateur loi - 104 ainsi que des gaz chauds envoyés à l'échangeur 60 (avant d'être rejetés dans le courant d'eau froide d'évacuation de la turbine 102 et/ou 103 par la conduite 70).Plus particulièrement, l'eau chaude sortant de l'échangeur de chaleur 60 n'étant qu'à une température de l'ordre de 85 degrés, celle-ci peut être utilisée pratiquement directement, par les consommateurs pour leurs radiateurs et/ou leurs réserves d'eau chaude de consommation.
L'eau sortant de ce premier usage domestique à une température de l'ordre de 25 degrés, on peut la faire passer dans une premier échangeur 61 situé dans une station de traitement de l'eau à l'entrée d'un groupe de consommateurs châteaux d'eau, stations d'épuration ou de décalcification.
Cette eau en sortie étant à une température de 16 degrés, on peut la diriger encore dans un second échangeur proche de la station de puisage avant de revenir à une température de l'ordre de 10 degrés vers l'échangeur de chaleur 60 de la centrale électrique hydro-thermique. Ces deux échangeurs 61, 62 permettent de mettre à profit cette eau rejetée à 25 degrés par les premiers utilisateurs pour réchauffer l'eau froide de consommation courante puisée initialement à 6 degrés, et ce jusqu'à une température plus appréciable domestiquement de 15 degrés.
Un élément important de ce réseau de chauffage à distance est constitué par un réservoir-tampon d'eau chaude 80 branché en parallèle -entre l'entrée et la sortie de l'échangeur 60 de la centrale. Comme illustré sur les figures 6a et 6b, ce réservoir-tampon est de préférence réalisé sous la forme d'une pluralité de chambres adjacentes 85 à température moyenne décroissante. Pour effectivement réaliser un tel chapelet de chambres à températures distinctes, les murs de séparation sont en fait réalisés par deux parois 81, ménageant entre eux un passage 82 de bas en haut à l'eau.
Ainsi, comme illustré sur la figure 6a, la première chambre gauche présente un faible gradient thermique vertical seulement de l'ordre de 10 degrés, seule l'eau inférieure étant autorisée à passer par des ouvertures inférieures 84 mieux illustrées sur la figure 6b pour remonter lentement dans le passage 82 et rejoindre la partie supérieure de la seconde chambre. A la base du passage 82 de chaque mur intermédiaire, débouche un conduit 89 de sous-tirage ou d'injection d'eau pour la chambre correspondante.Comme on peut mieux l'observer sur la figure 6b, ces chambres intermédiaires sont de plus garnies sur leurs parois verticales orientées vers l'extérieur 83 de plateaux horizontaux 86 limitant grandement les mouvements ascendants par convection aux abords de ces parois d'enceintes du réservoir détruisant la couche limite d'eau plus froide en contact avec lesdites parois, ce qui augmenterait les pertes thermiques vers l'extérieur. De plus, en vis-å-vis de ces plateaux horizontaux 86 sont disposées des bâches verticales 87 atténuant également les mouvements d'eau aux abords des parois d'enceintes et dus au transfert d'eau d'une chambre à l'eau. Enfin, le réservoir-tampon 80 est complété d'une installation de pompe à chaleur 88 pouvant être branché par un système de vannes télécommandées entre les conduits 89 de deux chambres adjacentes.
Le réservoir-tampon 80 permet de moduler à tout moment l'apport plutôt électrique ou plutôt thermique des turbines complémentaires a gaz et à vapeur. En effet, en période nocturne où la consommation de chauffage se réduit sensiblement, l'apport calorifique amené en permanence par les gaz d'éjection présents peut être stocké dans ce réservoir-tampon 80 pour être soutiré par la suite de jour et renvoyé dans le réseau de chauffage à distance. De même, la production hydro-électrique devant tenir compte des besoins hydrauliques de consommateurs en aval (tels que d'autres centrales hydrauliques), on peut être amené à devoir libérer un débit d'eau plus important que nécessaire localement pendant la journée.Le surplus d'électricité produit peut alors être mis à profit pour actionner la pompe à chaleur 88 d'abord branchée entre les deux chambres les plus chaudes puis la paire de chambres intermédiaires et ainsi de suite jusqu'à la dernière chambre la plus froide et puis remonter en inverse selon un cycle continu de va et de vient par paliers successifs. Ainsi est augmenté le potentiel éxergétique de l'énergie thermique contenue dans le réservoir avec le surplus momentané d'énergie électrique.
La figure 7 illustre l'implantation d'une machine thermique 42 dans une centrale hydro-électrique utilisant une turbine RAPLAN à axe vertical 21. On y reconnaît comme précédemment une boîte intermédiaire de réduction de vitesse 36 et une bote dfentrainement 30 à roues coniques dont l'une est montée directement sur l'axe vertical entraînant l'alternateur 10.
La figure 8 illustre l'implantation d'une machine thermique 42 pour une centrale hydraulique à bulbe et turbine
KAPLAN spécialement prévue pour de basses chutes et de grands débits. Ici, deux renvois d'angles sont utilisés pour simultanément réduire la vitesse de sortie de la machine thermique et amener la puissance mécanique sur l'arbre du rotor de l'alternateur 10 situé également dans le bulbe 100.
KAPLAN spécialement prévue pour de basses chutes et de grands débits. Ici, deux renvois d'angles sont utilisés pour simultanément réduire la vitesse de sortie de la machine thermique et amener la puissance mécanique sur l'arbre du rotor de l'alternateur 10 situé également dans le bulbe 100.
Bien evidemment, le dispositif d'embrayage 35 est de préférence situé proche de la bote d'entraînement 30.
La figure 9 illustre l'implantation d'une machine thermique 42 dans une centrale hydro-électrique de type
PELTON 22 en mettant à profit de hautes chutes. Dans ce cas, il est judicieux de disposer la machine thermique 42 et sa boîte de vitesse 36 de l'autre côté de l'alternateur 10; la liaison entre la bote de vitesse et l'alternateur pouvant être un dispositif automatique à billes, ou un accouplement classique du type flasques et ergots d'entraînement.
PELTON 22 en mettant à profit de hautes chutes. Dans ce cas, il est judicieux de disposer la machine thermique 42 et sa boîte de vitesse 36 de l'autre côté de l'alternateur 10; la liaison entre la bote de vitesse et l'alternateur pouvant être un dispositif automatique à billes, ou un accouplement classique du type flasques et ergots d'entraînement.
Comme on a pu le constater à la lecture de cet exposé, la centrale électrique hydro-thermique avec chauffage à distance permet d'utiliser en hiver de manière optimum l'équipement électrique nécessairement installé tout en générant simultanément du chauffage, ce qui diminue que de plus l'appel de consommation électrique. Surtout, la possibilité de stockage de calories dans le réservoir-tampon 80 permet de gérer au mieux les variations aléatoires ou imposées de la production hydraulique par rapport aux variations de consommation qu'elles soient diurnes/nocturnes ou dépendantes des variations aléatoires de climat d'un mois sur l'autre. De nombreuses améliorations peuvent être apportées à cette centrale dans le cadre de cette invention.
Claims (14)
1. Centrale hydraulique comprenant au moins deux groupes de production, chacun comprenant une turbine hydraulique (20) entraînant un alternateur (10), caractérisée en ce que l'un des groupes est complété par une machine thermique (40) embrayable à volonté pour, lors de périodes froides et de débit d'eau réduit, entraîner l'alternateur et produire simultanément une énergie thermique récupérée par un échangeur de chaleur (60) appartenant à un réseau de chauffage à distance.
2. Centrale hydraulique selon la revendication 1, caractérisée en ce que la machine thermique est une turbine à gaz (40).
3. Centrale hydraulique selon la revendication 2, caractérisée en ce que la sortie de la turbine à gaz (40) est directement reliée à un échangeur de génération de vapeur (50) pour alimenter une turbine à vapeur (42) complétant l'entraînement de l'alternateur (10) du groupe, puis à l'échangeur de chaleur (60) appartenant au réseau de chauffage à distance.
4. Centrale hydraulique comprenant au moins trois groupes de production selon la revendication 2, caractérisée en ce que la sortie de la turbine à gaz (40) du premier groupe est directement reliée à un échangeur de génération de vapeur (50) pour alimenter une turbine à vapeur (42) entraînant l'alternateur (10) du second groupe, puis à l'échangeur de chaleur (60) appartenant au réseau de chauffage à distance.
5. Centrale hydraulique selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la réduction de vitesse de rotation entre la machine thermique (40) et l'alternateur (10) est effectuée, en partie au moins, par une paire d'engrenages coniques réalisant un renvoi d'angles.
6. Centrale hydraulique selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que, lors de l'utilisation du moteur thermique (40), la canalisation d'eau de la turbine hydraulique (20) du groupe correspondant est vidée par fermeture des vannes, éventuellement complétées par pompage ou injection d'air comprimé, puis hermétiquement isolées, si désiré, pour y créer un vide partielle.
7. Centrale hydraulique selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les gaz d'échappement du moteur thermique (40) sont injectés, après avoir été refroidis par passage dans l'échangeur de génération de vapeur (50) et/ou de génération de chaleur (60), dans le conduit d'évacuation de la turbine hydraulique du groupe adjacent non modifié.
8. Centrale hydraulique selon la revendication 7, caractérisée en ce que les conduits d'injection de gaz d'échappement du moteur thermique dans le conduit d'évacuation de la turbine hydraulique sont rétractables.
9. Centrale hydraulique selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le réseau de chauffage à distance est alimenté par de l'eau sortant de l'échangeur de chaleur (60) à une température comprise entre 70 et 90 degrés.
10. Centrale hydraulique selon la revendication 9, caractérisée en ce que l'eau du réseau de chauffage a distance sortant d'une première application de chauffage domestique est envoyée dans un ou plusieurs échangeurs de chaleur (61,62) du réseau prévus. pour réchauffer l'eau froide domestique avant de retourner vers l'échangeur de chaleur de la centrale.
11. Centrale hydraulique selon la revendication 9, caractérisée en ce que le réseau de chauffage à distance comprend, en parallèle, un réservoir-tampon (80) d'eau chaude constitué d'une pluralité de chambres adjacentes (85) à température moyenne décroissante et dont les parois (81) intermédiaires sont creuses pour constituer un passage (82) pour l'eau d'une chambre à l'autre.
12. Centrale hydraulique selon la revendication 11, caractérisée en ce que chaque chambre intermédiaire (85) est garnie, sur ses parois verticales d'enceintes externes (83), de plateaux horizontaux (86) diminuant les mouvements de l'eau par convection.
13. Centrale hydraulique selon la revendication 11, caractérisée en ce que chaque chambre intermédiaire (85) est garnie, le long des parois verticales d'enceintes externes (83) de bâches (87) limitant les mouvements de l'eau dus au passage d'une chambre à l'autre.
14. Centrale hydraulique selon la revendication 11, caractérisée en ce que le réservoir-tampon comprend une pompe à chaleur (88) raccordée par un dispositif de vannes entre deux chambres (85) adjacentes afin de profiter d'un excédent de production de courant électrique diurne ou nocturne pour accroître le potentiel éxergétique de l'énergie-chaleur contenue dans l'eau stockée.
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|---|---|---|---|---|
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1992
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